多巴胺在调控典型医用金属表面“强力结合/多功能膜层”中的应用探索

Orthopedic and dental implants, as typical biomedical devices with high added values, are in great clinical demand. However, these devices may fail to meet the service demands due to postoperative infection，poor osseointegration and interface corrosion. Surface modifications are competitive methods to overcome these obstacles,and among which immbolizing/loading drugs or active substances on the surface of medical substrate has been the trend to develop advanced biomedical devices with novel functions. Howerver,there still exists some problems, such as complicated fabrication process, weak adhesion strength,simplex function, etc. Therefore, in this study,a novel multi-functional coating will be prepared on titanium and its alloys for orthopedic and dental application，with combined osseointegration ability, antibacterial property and self-healing capability. This coating will be prepared by LBL technique and mediated by dopamine, which will be employed as a universal binding agent to graft secondary functional substances. And the active substaces will be loaded in chitosan, an cationic polyelectrolyte with desirable osseointegration ability and antibacterial property. Our study will lay a foundation to further develop combination devices with multi-functional properties.

骨科植入物和口腔种植体是临床上需求量大、产品附加值高的医疗器械的典型代表。感染、骨整合不良和腐蚀松动是造成植入失效的主要原因。通过表面改性技术，在医疗器械表面固定/携载具有一定功能的药物或活性物质赋予其新功能已成为开发新型先进医疗器械的发展趋势。然而，目前相关的表面改性技术仍存在操作工艺复杂，膜层容易脱落，功能单一等问题，需进一步改进。因此，本项目拟利用聚多巴胺的（1）强力黏附特性；（2）操作简单方便，反应条件温和特性；（3）可以作为一个二次反应平台对材料表面进行功能化修饰等优异特性，以兼具骨性结合和抗菌特性的壳聚糖基聚电解质材料为活性组分载体，以既有抗腐蚀性，又有抗菌性的材料为活性组分，探索以多巴胺为调控介质，采用层层自组装技术在骨科和口腔科获得广泛应用的钛及钛合金表面构建强力结合的一体化多功能（抗菌、骨整合和自愈合）膜层。该项目的开展将为开发具有自主知识产权的药械结合产品奠定基础。

骨科植入物和口腔种植体是临床上需求量大、产品附加值高的医疗器械的典型代表。感染、骨整合不良和腐蚀松动是造成植入失效的主要原因。通过表面改性技术，在医疗器械表面固定/携载具有一定功能的药物或活性物质赋予其新功能已成为开发新型先进医疗器械的发展趋势。然而，目前相关的表面改性技术仍存在操作工艺复杂，膜层容易脱落，功能单一等问题，需进一步改进。因此，本项目以多巴胺为调控介质，在典型医用金属钛表面制备了兼具抗菌、骨性结合和自愈合能力的强力结合膜层。我们已按照计划完成了所有的研究计划要点，包括：（1）多巴胺调控TiO2纳米管表面沉积银/钙磷涂层的制备;（2）二维纯钛表面修饰微纳米孔/纳米银用于“陷阱杀菌”和促骨整合的研究；（3）三维梯度多孔载银钛合金支架用于多重感染防治与骨缺损修复的研究等。研究发现：（1）通过阳极氧化获得TiO2纳米管空间结构，并且和多巴胺双重作用促进钙磷盐形核生长。钙磷盐膜层（Ag-D-CaP）具有良好的抗菌性能，同时促进了细胞在表面的粘附、增殖和矿化能力。（2）鉴于仿生微纳米结构的促骨整合作用和纳米银的强持久抗菌效应，通过偶联微弧氧化和聚多巴胺载银技术，在二维钛表面原位制备了具有仿生分级结构的“TiO2/Ag”多功能复合膜层，用于抵抗围手术期细菌粘附，防止生物膜发展，并促进成骨分化和骨整合。（3）结合3D打印技术和上述“TiO2/Ag”膜层修饰策略，开发了定制化且呈现“宏观大孔/微纳小孔/纳米银”梯度结构的三维多孔钛/膜层体系，Ag+分阶段持续释放长达56天，具有至少12周的接触/释放杀菌效果，既可抵御生物膜形成，又协助清除既有感染，还赋予成骨细胞抵抗细菌侵染的能力；表现出良好的生物相容性；能促进成骨细胞空间生长并加速其矿化成熟。该项目研究成果为开发新型安全有效、具有自主知识产权的药械结合产品提供具有实用价值的新型表面改性技术奠定基础。发表了SCI收录论文11篇，申请获得国家发明专利一项，培养了博士研究生2名，硕士研究生3名。