钛表面微弧氧化HA/TiO2层上缓释型BMP-2/壳聚糖的负载及成骨机制研究

To repair and rebuilt the damaged weight-bearing bones in clinic, it is important to prepare hard tissue implant materials with good bioactivity, antibacterial property, tissue induction and corrosion resistance. In this research, the HA/TiO2 composite coating will be prepared on titanium by micro-arc oxidation. By controlling the preparation conditions, the surface roughness, crystallinity and porosity of the HA coating can be controlled. BMP-2 loaded chitosan will be also prepared and then loaded on the HA/TiO2 composite coating to get a sustained release. The influence of preparation technology on slow-release effect, antimicrobial property, cell growth is investigated by analyzing the film thickness, loaded drug amount, sustained release test , antibacterial effeciency and in vitro cell culture results. According to the results of the implanted experiment in animals, bone-forming bioactivity and osteogenetic mechanism of the modified titanium will be illustrated. The interaction among BMP-2, chitosan and HA can be revealed. Through the research, it is hopeful to prepare the implant material with good comprehensive biological properties and provide the theoretical basis for the design of new type hard tissue implant materials.

研制具有良好生物活性、抗菌性、骨诱导能力及耐腐蚀性能的硬组织生物材料对于承重骨的临床修复或重建意义重大。本项目拟通过一步微弧氧化技术在钛表面制备多孔羟基磷灰石(HA)/二氧化钛(TiO2)复合层。通过控制影响微弧氧化过程的因素，实现对HA层表面粗糙度、结晶度、孔隙率的可控制备。制备负载骨形态发生蛋白2(BMP-2)的壳聚糖缓释体系，并将其装载在钛表面的HA/TiO2层上。通过膜层厚度、载药量测定以及体外缓释、抑菌测试、细胞培养实验综合评价不同制备工艺对缓释效果、抑菌性能以及细胞生长的影响。通过动物体内植入实验阐明钛表面功能化处理后的骨修复性能及成骨机制，揭示BMP-2、壳聚糖与HA之间的协同作用原理。本项目的实施有望制备具有良好综合生物学性能的骨科植入材料，为新型人体硬组织植入材料的功能化设计提供理论依据。

赋予钛及钛合金植入体表面良好的生物活性、抗菌性能以及早期的骨诱导性能对实现种植体—骨界面更快速、高效的愈合十分必要。本项目首先在钛表面利用微弧氧化技术制备了羟基磷灰石（HA）/TiO2复合层，然后通过浸渍-提拉法在HA/TiO2复合层表面装载了不同浓度的壳聚糖（chitosan，CS），并制备了载有骨形态发生蛋白2(BMP-2)的壳聚糖膜，最终在钛表面获得HA/TiO2/CS/BMP-2复合层。研究了微弧氧化工艺参数对HA/TiO2复合层制备和性能的影响，对装载壳聚糖后的HA/TiO2/CS复合层进行了SEM、EDS、XRD、FT-IR、粗糙度和接触角分析；通过模拟体液浸泡实验检测了负载CS后复合层诱导类骨磷灰石生成的能力；通过抑菌试验探究了装载不同浓度的CS后复合层的抑菌效果；最后通过体外细胞培养实验和动物体内种植实验对HA/TiO2复合层负载CS以及BMP-2/CS后的生物学性能进行了评价。结果表明：电压是影响HA/TiO2制备的主要因素。壳聚糖浓度不同会影响其装载层的厚度，进而对其表面的粗糙度和润湿性产生影响。相比于HA/TiO2复合层，装载在HA/TiO2/CS复合层中BMP-2的释放速率明显降低。在钛表面制备的HA/TiO2/CS/BMP-2复合层具有优越的生物学性能。因此，壳聚糖作为BMP-2的缓释载体是安全、有效和可行的。本项目在钛表面实现了生物活性、骨诱导能力、抗菌性能的多重功能的构建。本研究为医用钛及钛合金植入体的表面改性提供研究基础和科学依据。项目研究开展三年，迄今发表学术论文10篇，其中8篇被SCI检索, 申请国家发明专利2项，其中授权1项，培养博士研究生1名，硕士研究生1名，参加学术会议2次。