构建钛种植体表面载钙微纳结构对骨整合的促进作用及其机制的研究

Osseointegration is the key to the success of oral implants. Surface modification is one of the hot points of this field’s research. Studies have shown that multi-level micro/nano structure with reasonable size and topography has a better effect on promoting osseointegration, while some metal ions exhibit synergistic effect with micro/nano surface. Our previous work found that some specific calcium-loaded micro/nano surface can be successfully prepared by hydrothermal method. In vitro experiments confirmed its role in improving osteoblast cell adhesion, proliferation and differentiation. But the micro/nano structure needs to be optimized, and the mechanism of how this kind of surface enhances osseointegration is still unknown. Therefore, we propose to use hydrothermal treatment to fabricate the calcium-loaded micro/nano surface with different topographies. The effects of different calcium-loaded micro/nano surfaces on osseointegration, as well as the mechanisms behind them, will be studied in vitro and in vivo. These results will offer new approaches for the design of implant surfaces with prompt osseointegration, and help to reveal the biological effects of micro/nano structure and functional ions.

种植体表面改性是目前种植领域研究的难点和热点问题之一。种植体表面合理尺度的多级微纳结构对于骨整合具有更好的促进作用，同时部分金属离子可与表面微纳结构表现出成骨协同效应。本课题组前期工作发现，水热法可在钛种植体表面形成微纳结构，并实现功能活性钙离子负载，得到载钙微纳结构表面，体外实验初步证实其对成骨细胞的附着、增殖和分化均有促进作用。但是载钙微纳结构的可控制备和优化有待进一步探索，微纳结构和钙离子促进骨整合的规律和机制仍然未知。本项目旨在实现钛种植体表面载钙微纳结构的可控制备，通过体内/体外实验研究表面微纳结构及钙离子对成骨细胞生物学性能及骨整合形成的影响，揭示载钙微纳结构促进骨整合的规律，并探究表面微纳结构和钙离子的协同作用机制。该项目的实施将为实现具有快速成骨能力的钛种植体表面设计、阐明钛种植体表面微纳结构及功能活性离子的生物学效应提供新的思路和途径。

为了克服钛种植体在临床应用中的限制，促进早期骨整合，实现及时或早期负荷以及困难条件下的种植修复，各种表面改性手段被用于修饰钛种植体表面。本研究采用水热法在钛表面制备了含钙离子的纳米级表面结构。分析了样品的表面特征，并对样品的体内外生物活性进行了评价。钛表面纳米结构和载钙纳米结构具有良好亲水性的同时，钛表面载钙纳米结构在模拟体液中表现出更快的骨状磷灰石沉淀速度。MC3T3-E1细胞实验结果表明，钛表面纳米结构和载钙纳米结构均能促进细胞粘附和增殖。成骨相关基因在载钙纳米钛表面样品中含量最高，其次是纳米钛表面样品。且载钙纳米结构组细胞外基质矿化结节数量明显高于其他组。在SD大鼠动物实验中，载钙纳米结构组在2周和4周时新骨形成值最高。本研究表明，纳米结构与钙离子在加速骨样磷灰石沉淀和成骨细胞生长分化方面具有协同作用。动物实验进一步表明，该表面具有促进早期成骨的作用。在此基础上，通过水热法构建钛表面载锶纳米结构，对骨质疏松大鼠模型进行研究，发现相比钛表面纳米结构，钛表面载锶纳米结构表现出更好的促进骨质疏松大鼠骨髓间充质干细胞的增殖和成骨向分化。此外，通过对钛表面纳米结构促进巨噬细胞极化的研究发现，钛表面纳米结构对巨噬细胞极化的调控会进一步影响成骨细胞的分化表达，但其作用机制及通路仍需深入研究。本项目针对钛种植体表面纳米结构及功能活性离子负载后对早期骨整合的研究为后续优化钛种植体表面设计提供了思路。