TiO2纳米管/钛界面强化机制及其渐变管径的肽控释抗菌行为

The poor adhesion of the traditionally anodized TiO2 nanotube layers on Ti substrates could significantly compromise their applications in load-bearing bone repair and replacement. TiO2 nanotube with small diamater is propitious to enhance cell osteogenesis expression and long-term release of loaded antimicrobial peptide, but the loading capacity of TiO2 nanotube layers can be increased by increasing the diamater of the tubular layers. Based on this conflict, we develop a new technology of anodization including sedimentation of F- during the process. A TiO2 nanotube layer with high adhesion strength and graded diameter can be prepared. The effect of anodization parameters on TiO2 nanotubes/Ti interfacial strength,interfacil structure, nanotube diamater and thickness will be explored. The mechanism of the strengthened interface formation of the TiO2 nanotube layer will be disclosed. The influence of nanotube diameter and thickness on the releasing kinetic and antimicrobial behavior of antimicrobial peptide will be studied. In addtion, after loading antimicrobial peptide,the relationship between the nanotube diameter and the abilities such as inducing bone-like apatite, cell adhesion and osteogenesis expression will be realized. In order to facilitate the TiO2 nanotube layer to be used in clinic, a project to gain a TiO2 nanotube layer with high adhersion strength、bioactivity and long-term antimicrobial ability will be proposed.

着眼于承力骨的修复与替换应用，针对传统阳极氧化TiO2纳米管层与钛合金基体之间弱界面结合对其承力的制约，立足于协调细胞成骨表达及抗菌肽长期释放与其高量负载对TiO2纳米管相反管径需求的矛盾，通过攻克氟离子沉降阳极氧化新技术，在钛合金表面设计并制备具有较高界面结合强度、管径呈渐变式外小内大的TiO2纳米管层。探索TiO2纳米管层/钛合金界面结合强度、界面结构、管径及层厚随氟离子沉降阳极氧化工艺参量之间的变化规律，揭示TiO2纳米管层与基体之间形成强界面结合的机制；研究纳米管管径及层厚对抗菌肽释放动力学的影响规律，及其抗菌行为的持续效应；揭示负载抗菌肽的纳米管管径与骨磷灰石诱导能力和成骨相关细胞附着及功能表达之间的关系，提出钛合金表面TiO2纳米管呈高结合强度、生物活性、长期高效抗菌的结构优化构建方案，为其满足临床应用奠定基础。

传统阳极氧化TiO2纳米管层与钛合金基体之间弱界面结合制约了其在骨修复种植体的有效使用，本项目发明了氟离子沉降阳极氧化新技术，在钛合金表面制备了具有较高界面结合强度、管径呈渐变式外小内大的TiO2纳米管层。揭示了纳米管底与基体之间形成水溶性的富氟非晶层是传统阳极氧化法氧化物纳米管与基体结合强度低的根本原因。阐明了纳米管层/基体界面结合强度随氟离子沉降阳极氧化工艺参量的变化规律，揭示了纳米管层与基体之间形成强界面结合的机制：在阳极氧化后期，添加沉淀剂，在纳米管与基体之间产生致密氧化过渡层以取代F富集层，该致密氧化层与纳米管和基体具有结构上的连续性，是纳米管与基体的结合强度提高的主要原因。揭示了纳米管管径及层厚对抗菌肽释放动力学的影响规律及其抗菌行为的持续效应：与单管径相比，具有外小内大管径的纳米管对抗菌肽的负载率有所提高，且一定程度上增大外层纳米管的管径和长度可以增加负载量，同时，外层小管径纳米管能减缓抗菌肽的释放，且外管径纳米管的管径越小，管长越长，缓释的效应越明显。负载抗菌肽的纳米管对表面粘附的细菌、培养基中的悬浮细菌表现出明显的抗菌效应，且抗菌肽的释放速率越快，抗菌性越好，在经过长期的浸泡释放后，负载抗菌肽的双管径纳米管仍具有一定的抗菌能力，而单管径纳米管在经过30天浸泡释放后已无抗菌能力。揭示了负载抗菌肽的纳米管管径与骨磷灰石诱导能力和成骨相关细胞黏附、增殖之间的关系：各管径的TiO2纳米管均具有良好的诱导类骨羟基磷灰石能力，且随着管径的增加，纳米管表面诱导羟基磷灰石生长的能力略有提高，但无显著性差异；一定浓度的抗菌肽具有细胞毒性，纳米管中实际负载抗菌肽的质量、释放速率及纳米管管径大小等因素综合影响了TiO2纳米管表面细胞的粘附与增殖，小管径纳米管有效抑制了抗菌肽的释放，纳米管表面抗菌肽的浓度低，结合纳米管径尺寸效应，细胞的增殖未产生明显影响。优化的双层TiO2纳米管层，具有高的结合强度、细胞相容性及长期抗菌性，有望更好的满足硬组织的修复与替换功用。本项目发表论文8篇，被SCI收录6篇；申请发明专利4项，其中授权发明专利1项；在国内学术会议上作报告2次；培养毕业硕士生2人。