增材制造钛合金表面微纳拓扑结构的可控构建及其对干细胞成骨分化的影响机理

Micro/nano-topographical structures on bone biomaterial surfaces stimulate osteogenesis by mimicking the natural hierarchical structures of bone. Based on previous study, we found that the combination of metal additive manufacturing (3D printing) and membrane-assisted electrochemical deposition technique could be applied to develop micro/nano-topographical structures on titanium-based implants. This project is focused on the behavior and mechanism of the nucleation and growth of silicate nanostructures on titanium alloy, based on metal additive manufacturing and membrane-assisted electrochemical deposition technique, which is aimed to understand how micro/nano-topographical structures affect the behaviors of mesenchymal stem cells (MSCs). The rule and mechanism of how micro/nano-topographical structures affect MSCs response, such as adhesion, proliferation and osteogenic differentiation, will be studied in detail. Through the researches metioned above, the influence of membrane-assisted electrochemical deposition technique on the development of silicate nanostructures will be identified. The development of tunable micro/nano-topographical structures on titanium alloy surface will be achieved. The rule of how micro/nano-topographical structures affect MSCs response will be obtained. The mechanism of how micro/nano-topographical structures stimulate osteogenic differentiation of MSCs will be deeply undertood.

骨科生物材料表面的微纳拓扑结构由于仿生骨组织的天然微纳结构，具有促进成骨的作用。基于前期研究，我们发现结合金属増材制造（三维打印）与阳离子交换膜辅助电化学沉积技术可以在钛基金属植入物表面构建微纳拓扑结构。本项目在金属増材制造与电化学沉积技术的基础上，针对材料表面微纳拓扑结构对间充质干细胞相关行为的影响，重点研究电场条件下，硅酸盐纳米结构在钛合金表面形核与长大的行为与机理；微纳拓扑结构对间充质干细胞贴附、增殖与成骨分化等相关行为的影响规律与机理。通过上述研究，阐明阳离子交换膜辅助电化学沉积技术可控构建硅酸盐纳米结构的作用机制；实现钛合金表面微纳拓扑结构的可控构建；掌握微纳拓扑结构影响细胞行为的相关规律；深入理解微纳拓扑结构促进间充质干细胞成骨分化的相关机理。

骨科生物材料表面的微纳拓扑结构由于仿生骨组织的天然微纳结构，具有促进成骨的作用。随着骨整形外科领域医疗水平的进步，临床上对于骨科植入物的个性化定制需求日益强烈。三维打印，也称增材制造技术在生物医疗领域的应用潜力受到了越来越多的关注。本项目结合金属三维打印技术与表面微纳米拓扑结构制备技术个性化定制具有仿生微纳结构表面的钛基金属骨科植入物。本项目主要研究了以下内容：.第一，通过选区激光熔化（SLM）技术制备了表面具有微米级结构特征的钛合金，并研究了激光工艺参数对钛合金微观组织，致密性和力学性能的影响规律。.第二，分别采用物理抛光技术和电化学技术在钛合金表面构建了不同粗糙度（432、307和224nm）的涂层，并探究了表面粗糙度对成骨行为的影响。研究发现，不同粗糙度表面类成骨细胞沿划痕方向伸展，呈纺锤形。随粗糙度增加，细胞骨架铺展面积增大，有利于新骨的形成。.第三，通过微弧氧化技术、水热处理技术以及后热处理，在钛合金表面构建了含镁的微米结构涂层，并分别探究了表面微纳米结构的形成机制。相较于微弧氧化表层，含功能离子微弧氧化涂层促进巨噬细胞由M1向M2表型极化，并且促进巨噬细胞生长因子（BMP-2，BMP-6和血管内皮生长因子（VEGF））基因表达，巨噬细胞与含镁微弧氧化涂层形成的炎症微环境促进类成骨细胞胶原合成和钙结节形成。.第四，研究了钛合金表面功能离子（镁、铜、锶、钙、硅）微纳米结构对成骨性能的影响和作用机理。改变水热条件可以在微弧氧化表层生成片状、米粒状和柱状纳米结构。类成骨细胞在微弧氧化表层呈圆形，微纳结构表层呈梭形或三角形，微纳结构表层促进板状伪足的形成，微弧氧化-水热涂层增强类成骨细胞的增殖与分化，巨噬细胞与微弧氧化-水热和微弧氧化-水热-热处理涂层作用后的炎症微环境促进类成骨细胞分化。.本项目为开发具有良好的骨整合性能以及骨免疫调节特性的先进生物材料提供了一定的理论和实践指导意义。