钛基骨修复材料表面纳米拓扑结构的构建及其与蛋白质相互作用机理研究

纳米尺寸的蛋白质吸附是钛基骨修复材料与机体内环境发生一系列生理反应中的首要过程,所吸附蛋白质的组成与构象直接决定钛基骨修复材料的生物学性能。本研究采用电化学刻蚀技术在钛基骨修复材料表面构建不同形貌特征的纳米拓扑结构，采用单一蛋白或多种蛋白质吸附模式，建立钛基骨修复材料表面纳米拓扑结构/蛋白质吸附模型，系统研究蛋白质在不同纳米拓扑结构表面的吸附行为，定性定量研究研究钛基骨修复材料表面纳米拓扑结构的形貌、微结构特征变化对吸附蛋白层的数量、构象、组成和取向的影响规律，揭示纳米拓扑结构表面与蛋白质相互作用机制，为临床构建出生物相容性优异的钛基骨修复材料提供理论依据。课题组成员具有多学科交叉专业背景和长期合作基础。

钛基材料优异的生物相容性和机械性使之被广泛应用于骨科、牙种植体中。作为骨修复和骨重建的优选材料，如何在承接钛本身的优异性质之余，还能进一步提高其表面生物活性及与骨组织的结合强度是研究的关键。通过表面改性技术改善钛表面的特性有助它与生物分子之间的应答。研究表明，在材料表面构建拓扑图案结构对机体内生物大分子、细胞等的生物学表达能起到调控作用。.本文通过光刻图案技术和电化学阳极氧化法，在纯钛表面制得尺寸可控的微图案化的二氧化钛纳米管。凭借光刻技术在纯钛表面成功构建了微米尺度内的两种几何图案结构，分别为：宽100 μm、相邻间隔200 μm规则排列的直条纹结构；相邻间隔200 μm规则排列的梯形结构。采用电化学氧化法在已微图案的纯钛表面制备出二氧化钛纳米管，即得到纳米级图案结构。通过扫描三维立体显微镜（3D microscope）和电子显微镜（SEM）对样品表面微、纳图案拓扑结构进行表征。借助X射线衍射仪（XRD）对二氧化钛纳米管阵列进行晶型测定。结果表明改变电化学参数，即阳极氧化电压和阳极氧化时间，不仅会对二氧化钛纳米管的管径及形貌产生较大影响，而且严重地影响着微米图案的完整度。为兼顾微、纳图案结构，实验所得最佳电化学参数为在恒压20 V的情况下连续通电30 min。经550 ℃热处理的纳米管形貌不变，阳极氧化表面的无定型二氧化钛转变为锐钛矿型二氧化钛。.为模拟微图案化的二氧化钛纳米管作为骨修复材料的体外生物学实验。首先以牛血清白蛋白（BSA）和G型免疫球蛋白（IgG），血液中最主要的两种蛋白作为蛋白实验模型，观察蛋白在二氧化钛纳米管的微图案表面的吸附行为。通过微阵列扫描仪（microarray scanner）和紫外分光光度计（UV-Vis spectroscopy）对蛋白的吸附分别进行定性和定量的表征。蛋白定性吸附的荧光图样与定量吸附的数据结果相一致，即二氧化钛纳米管吸附蛋白的能力远强于钛基表面；两种结构表面的蛋白吸附量随着蛋白初始浓度的增大而增加，并且均存在着饱和值，但纳米管表面蛋白吸附量的增幅远大于纯钛表面的。这是因为纳米管结构相对于光滑钛表面具有更大的比表面积，可为蛋白分子提供更多的吸附位点。