碳/碳复合材料表面功能化修饰及其骨整合性能研究

Carbon/carbon composite materials have excellent hard tissue compatibility. However, osseointegration defect and bacterial infection caused by C/C bio-inert characteristics will likely occur during clinical application and their occurrence will damage the long-term post-treatment effects. This program will adopt graphitization + plasma glow pretreatment and covalent grafting methods to immobilize the polysaccharide molecules and vascular endothelial growth factors on the surface of C/C substrates, reduce the adhesion ability of bacteria on the material, improve the activity of high alkaline phosphates, and increase the rate of calcium deposition. Characterization analysis was conducted by means of X-ray photoelectron spectroscopy, total reflectance infrared spectroscopy and fluorescently labeled microscopic observation to optimize modification approaches and determine optimal immobilization scheme. Bacteriostasis experiment, material/osteocytes co-cultured in vitro experiment and animal bone implantation experiment are respectively conducted for the C/C which has undergone bio-functionalization on the surface. The bacterinertness and hard tissue compatibility of the material are evaluated by means of morphological inspection under scanning electron microscope and histopathological analysis. On the basis of systematically discussing and establishing a series of immobilization methods for bimolecular on C/C surface, this program deepens the study of bacteriostasis and osseointegration properties of surface bio-functionalized C/C artificial bone materials and discusses related biochemical implications and theoretical mechanism.Thereby, a novel artificial bone materials that well integrate the inherit biomechanical compatibility with excellent osseointegration performance of C/C will be developed.This study will lay a solid techinical and theoretical foundation for the application of this material in the orthopedic clinical areas.

碳/碳复合材料(C/C)具有优良的硬组织相容性。但临床应用中，其生物惰性特征易引发材料表面骨整合缺陷与细菌感染，损害长期愈后效果。本项目拟采用石墨化+等离子辉光预处理和官能团偶联接枝技术，在C/C表面接枝抑菌基团和血管内皮生长因子的共聚物修饰层，降低细菌对材料的粘附能力，提高碱式磷酸酶活性，促进骨缺损组织改建。利用X射线光电子能谱、全反射红外光谱和定量荧光逆转录聚合酶链反应技术等表征手段，优化材料表面生物功能化修饰工艺。对制得的新型C/C人工骨材料进行抑菌、体外骨细胞联合培养和动物骨内实验。通过扫描电子显微镜形貌观察和组织病理学分析评价材料的抑菌和骨整合性能。从而，在系统探讨C/C表面改性和生物活性分子固定化方法的基础上，探讨相关的生物化学内涵及理论机制，旨在开发一种兼有C/C固有的生物力学相容性和优异骨整合性能的新型人工骨材料，为该材料在骨科临床领域的应用，奠定坚实的技术和理论基础。

随着现代医疗技术及交通运输工具的发展，人口老龄化进程加快、交通事故频发，人类对于骨替换材料的需求日益增加。碳/碳复合材料（简称C/C）继承了碳单质材料固有的优异生物相容性，克服了单一碳材料的脆性，生物力学性能优良，而且其表面特有的微孔结构有利于组织的长入，而被认为是一种潜在的骨修复和骨组织替换材料。然而，作为一种典型的生物惰性材料，C/C植入体内后与骨组织之间仅仅是机械结合，不具有骨传导和诱导骨组织再生的功能。此外，未经处理的C/C植入到动物体内会导致碳粉的脱落而引发炎症。为此，科学家们曾利用热喷涂、浸渍烧结、化学气相沉积等多种现代表面技术在C/C表面制备羟基磷灰石、生物玻璃、碳化硅等生物医用涂层，以企“取长补短”，在充分利用C/C优异的生物力学相容性的基础上，赋予其生物活性。但是，上述方法获得涂层普遍存在与基体界面结合强度不足，且改变C/C固有表面多孔结构的突出问题。. 本项目采用石墨化+等离子辉光预处理、仿生矿化和官能团偶联接枝技术，在保留C/C原有表面多孔结构的基础上，开发了与碳纤维具有化学键结合方式的纳米羟基磷灰石（nHAp）、壳聚糖（CS）、CS/nHAp、生长因子（GF）、nHAp/GF等五种表面功能化共聚物修饰层，降低了细菌对材料的粘附能力，提高碱式磷酸酶活性，起到了促进骨缺损组织改建的效果。利用X射线光电子能谱、全反射红外光谱和定量荧光逆转录聚合酶链反应技术等表征手段，优化材料表面生物功能化修饰工艺。对制得的新型C/C人工骨材料进行抑菌、体外骨细胞联合培养和动物骨内实验。通过扫描电子显微镜形貌观察和组织病理学分析评价材料的抑菌和骨整合性能。从而，在系统探讨C/C表面改性和生物活性分子固定化方法的基础上，探讨相关的生物化学内涵及理论机制，开发了一系列兼有C/C固有的生物力学相容性和优异骨整合性能的新型人工骨材料，为该材料在骨科临床领域的应用，奠定坚实的技术和理论基础。