TiNbTaZr钛合金表面纳米复合结构的构建及其生物相容性研究

Prosthesis loosening is one of the main reasons of the failure of artificial joint replacement and renovation, which is not only a hotspot, but also a difficulty in artificial joint research. In order to prevent prosthesis loosening, it is of great significance to promote osseointegration of the implant/bone interface in improving surface biological activity by surface treatment of the implant material.This proposal focuses mainly on preparing the nano-composite layers on the surface of titanium alloy, and following microstructure and osseointegration are studied. Friction stir processing will be used to build surface topology of nano-scale distributed TiO2 composite layers on TiNbTaZr titanium alloy, including the gradient changed grains on the surface. Through the research of nano-scale surface structures, the regulation of surface roughness, the relationship between nanometer functional gradient surface and osteoblast biocompatibility, and the in vivo behavior of surface of nano-crystallized TiNbTaZr titanium alloy, the in vivo biocompatibility of this new material will be analyzed deeply. In the meantime, the expression of associated osteoblast specific gene will be specified. This project researches the relationships between microstructure of TiO2 nano-layer, grain size, roughness of surface of the studied alloy and the osseointegration. The bone integration mechanism of the surface/bone interface is also studied and a new surface nano-composite technology is developed, which provides molecular level theoretical basis and clinical application guidance for the prevention and treatment of prosthesis loosening.

假体松动是造成人工关节置换失败和翻修的主要原因之一，也是目前人工关节研究的热点和难点。通过植入物材料表面处理来提高其表面生物活性从而促进植入物/骨界面的骨整合对防止假体松动具有重要的意义。本项目以钛合金表面纳米复合层的构建为研究对象,围绕其表面微观组织转变及其对骨整合的影响深入开展研究。采用搅拌摩擦处理工艺在TiNbTaZr钛合金表面构建纳米级TiO2复合层，制备具有纳米级颗粒弥散分布、晶粒尺寸呈梯度变化的表面拓扑结构，通过纳米结构的构建、表面粗糙度的调控研究、表面纳米尺度对成骨细胞生物相容性影响以及动物体内生物学行为研究，深入分析植入物/骨界面的生物相容性，明确相关的成骨特异性基因表达，揭示表面TiO2纳米层形貌、表面晶粒尺寸及粗糙度与骨整合之间的内在联系，探讨纳米化表面/骨组织界面的骨整合机制，探索一种表面纳米复合化技术，从而为人工关节假体松动的预防和治疗提供分子水平的理论基础及指导。

人工关节置换术是治疗终末期骨关节疾病最有效的方法，它可以显著地提高患者的生存质量。目前全球每年有超过100万例的关节假体被植入，中国随着老龄化社会的到来和人们生活水平的提高，对于人工关节置换术的社会需求也显著提高。然而该手术后10年内有高达10%的病例会因假体松动需要进行人工关节翻修手术，且随着时间的推移，翻修率也相应升高。目前，假体松动是造成人工关节置换失败和翻修的主要原因之一，也是目前人工关节研究的热点和难点。假体松动一般由磨屑、早期的微动、应力遮挡和骨/关节界面结合不佳等多种因素造成。人工关节植入早期，通过假体与骨床的压配获得固定， 因此初始稳定性主要依靠假体表面和骨床的匹配度，与假体设计和手术技术直接相关。而后期稳定性则主要依靠假体与骨床的愈合质量。因此，提高假体/骨界面的骨整合率是解决临床假体置入后松动并发症的瓶颈。近年来，内植物的研究重点逐渐从材料本身的力学性能、生物相容性等扩展到内植物/骨界面的研究。为了使得假体与骨的固定更多的是依靠骨组织而不是纤维组织，改善骨组织假体界面的骨整合情况，提高生物型假体的长期稳定性，通过对植入体表面进行改性处理促进成骨细胞的粘附，从而促进植入物/骨界面的早期骨整合，无疑对防止假体松动有重要意义。. 本课题着眼于我国人工关节植入物需求迅速发展的实践背景，希望站在解决人工关节假体松动问题的角度，通过材料表面处理来改善表面结构及形貌特征期望提高植入物/骨界面骨整合，寻求细化材料表面晶粒尺寸、提高表面粗糙度以及生物相容性这一科学问题的解决理论和方法。理论上，本课题借鉴了材料表面强塑性变形相关理论，将其应用于低弹性模量钛合金表面，结合材料生物相容性实验，将材料制备方法和材料生物学评价实验相结合，建立了新型的材料表面制备技术和骨整合之间的关系的研究方法。实践方面，建立钛合金表面晶粒尺寸自纳米化技术及其调控方法，明确材料表面微观结构与成骨细胞生物相容性之间的内在关系以及探索了材料在体内的生物相容性行为。项目很好的完成了预期目标，发表学术论文8篇，SCI论文6篇。1篇论文接受待发表，3篇SCI论文投稿送审。申请发明专利3项。