多孔钛表面双管径TiO2纳米管层的设计及其双药控释抗菌与骨整合

Implant-related infection caused by bacteria, and the mechanical mismatch between solid titanium and bone tissues significantly limit titanium applications in bone repair and replacement. Large release amount of antimicrobial agents from TiO2 nanotubes could give rise to excellent antibacterial activity, which might also comprise osteogenesis. Based on the conflict, 1) We fabricate dual-diameter TiO2 nanotube films by voltage-increased anodization with F- sedimentation procedure on porous Ti, and the effect of anodization parameters on the nanotubular structure will be explored. 2) the effects of nanotubular structure and pH-sensitive polydopamine on the loading amount of two drugs (antimicrobial peptide and zinc ions) in nanotubes will be explored, the effect of pH variation on the drugs releasing kinetics will be studied, the mechanism involving drug release as required and the antibacterial activity in vitro and vivo will be investigated. 3) the relationship between drug-loaded dual-diameter TiO2 nanotubes and biological effects such as promoting cell adhesion and osteogenic expression etc. will be revealed. For the purpose of clinical application, the design of drug-loaded TiO2 nanotube films with high adhersion strength, osseointegration and efficient antimicrobial activity will be proposed.

着眼于种植体的骨修复与替换，针对术后感染频发及致密钛与骨组织弹性模量不匹配的问题，立足于协调TiO2纳米管对抗菌剂的释放及高效抗菌与细胞成骨表达的矛盾，本项目拟1）通过有氟离子沉降的阳极氧化法在多孔钛表面构建较高界面结合强度的双管径TiO2纳米管层，探索双管径纳米管的结构随工艺参量的变化规律，揭示多孔钛表面双管径TiO2纳米管的生长动力学过程；2）探索纳米管结构及其空腔中pH敏感型聚多巴胺与双组份抗菌剂（即抗菌肽、Zn2+）的负载量之间的关系，研究pH对该双药的释放动力学的影响规律，揭示多孔钛表面双管径TiO2纳米管“按需”释药的控释机制及体内/外抗菌效应；3）揭示负载双药的双管径纳米管与成骨相关细胞附着、功能表达之间的关系；提出孔壁表面呈高效抗菌及骨整合能力的多孔钛植入体涂层的构建方案，为其临床应用提供理论依据。

着眼于种植体的骨修复与替换，针对术后感染频发及致密钛与骨组织弹性模量不匹配的问题，立足于协调TiO2纳米管对抗菌剂的释放及高效抗菌与细胞成骨表达的矛盾，本项目i）采用3D打印技术，制备了立方孔结构的多孔钛，研究了孔径和孔隙率对骨形成的影响：多孔钛的孔径和孔隙率可协同促进骨的形成，且孔径在600 ~ 700 μm、孔隙率在70% ~ 90%范围内时，孔径大小的变化对成骨的影响更为显著。在力学性能匹配的条件下，本研究为后续研究所用的多孔钛提供了最佳孔径和孔隙率。ii）考察了多孔钛表面单/双管径TiO2纳米管对抗菌肽LL37的负载及释放行为的影响，揭示了负载抗菌肽的单/双管径TiO2纳米管的抗菌效应、成骨活性及促血管生成能力：通过调节阳极氧化工艺，在多孔钛表面制备出结构可控的单/双管径TiO2纳米管，借助多孔钛的微孔结构和双管径纳米管结构，实现了对抗菌肽LL37的高剂量负载及缓释，而表面管径为30 nm的双管径纳米管表现出优异的抗菌性、成骨活性及血管生成潜力。该部分研究结果为后续pH响应性释放体系的构建提供数据支撑。iii）构建了负载双药的涂层体系，考察了pH对抗菌肽LL37和Zn2+释放速率的影响及控释机制，评价了载药涂层的抗菌性及其抗菌机制，探讨了载药涂层的成骨活性和体内感染微环境下的骨整合性：结果表明，PDA可在纳米管的内表面沉积而不掩盖纳米管状结构，通过双管径纳米管结构和PDA的静电作用实现了对抗菌肽LL37、Zn2+的高量负载和pH响应性控释的双向调控；此外，双组分抗菌剂（LL37和Zn2+）的联合使用，可降低单种药物使用的局限性（如抗菌性不足或细胞毒性大等），能够在满足高效抗菌的同时，明显促进细胞成骨分化及感染微环境下的新骨形成，实现高效抗菌与骨整合的平衡。本研究有助于为多孔钛的表面抗菌性改性及生物活性改性提供理论依据和思路，以开发具有多功能的骨科植入体。与本项目相关的研究成果共发表SCI论文5篇（其中影响因子大于5的论文4篇），申请并授权国家发明专利1项，培养硕士研究生3名（毕业2人，在读1人），实现了项目申请时的预期成果。