钛涂层表面生物功能化及其成骨性能的研究

Plasma-sprayed titanium (Ti) coating has superior mechanical properties with multi-microporous structure on its surface. However，titanium is bioinert materials, the responses of bone to them are non-specific and the osseointegration into the microporous is poor. Therefore, current researches have focused on biochemical modification on the Ti coating to improve its bioactivity. Our initial experiments have already covalently immobilized fibrillar type-I collagen to the surfaces of the silanized Ti coating. If the Ti coating surfaces exhibit amino groups following silanization, the covalent attachment of collagen could be achieved via its carboxyl groups, which get activated by the cross-linking system. Following this biochemical method, our research is to covalently immobilize both fibrillar type-I collagen and hyaluronic acid to the surface of silanized Ti coating for reconstruction of extracellular matrix，and physically adsorpt recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2). In vitro, cellular response of human bone marrow stromal osteoprogenitor cells (hBMSCs) to the modified Ti coating will be studied. In vivo, the biomechanical test and the histological experiment of implant-tissue integration will be studied. This research is armed to get a new bioactive Ti coating with better biocompatibility and improved implant-tissue integration via biochemical modification on its surface.

等离子体喷涂钛涂层具有优良的机械性能及粗糙多孔的表面结构，但钛不具有生物活性，植入体内后表面常覆盖了一层纤维膜，无骨组织长入。因此，对钛涂层进行表面改性以提高其生物活性是当前的研究热点。本项目前期研究中,用生物化学技术,在钛涂层表面共价接枝I型胶原。研究发现对碱处理后的钛涂层进行硅烷化处理，可引入活性氨基，利用交联剂激活I型胶原上的羧基，使之与氨基缩合，可形成肽键并将I型胶原有效固定于钛涂层表面。本项研究将在此基础上，共价接枝I型胶原和透明质酸，构建类细胞外基质，使之充当邻近骨细胞或基质的配体，促使骨细胞长入微孔，形成早期机械嵌合作用，有望从根本上改善钛涂层表面缺乏生物活性的问题。我们将考察骨细胞在涂层表面的黏附和生长情况及类细胞外基质对骨细胞及生物矿化的影响；用载体法负载细胞活性因子，考察细胞活性因子的释放过程及对骨细胞的影响；以体内实验研究涂层-骨组织界面的生物力学稳定性和骨整合情况。

等离子体喷涂钛涂层具有良好的机械性能，其粗糙表面和多孔结构能够允许骨组织长入提高了界面稳定性。然而，钛涂层不具备生物活性，对骨组织的生长没有促进诱导作用。植入体内后的钛涂层与骨组织之间常形成空隙。为赋予钛涂层生物活性并改善其成骨性能，采用生物化学改性方法，将细胞外基质主要成分（I型胶原和透明质酸）固定在钛涂层表面，制备生物大分子改性钛涂层。通过体外人骨髓间充质干细胞培养实验评价改性钛涂层的生物活性和细胞相容性；通过动物体内成骨实验评价改性钛涂层的骨传导和骨整合性能；考察生物大分子层的结构、组分对改性钛涂层生物学性能和成骨性能的影响。.(1)利用等离子体喷涂技术制备钛涂层钛涂层表面较粗糙，经过测厚仪测试，钛涂层的厚度为250-300μm,经过粗糙度测试，钛涂层表面分布均匀,其粗糙度约为17.6μm。.(2)利用共价键接枝和普通吸附两种方法将I型胶原固定在钛涂层表面。胶原定量检测实验结果表明，共价键接枝固定的胶原量约为391± 20μg/cm2，远高于普通吸附固定，且抗胶原酶降解性能更高；I型胶原改性钛涂层显著的促进了干细胞的粘附、增殖和成骨分化，共价键接枝固定的胶原具有更好的促进效果。利用共价键接枝固定法，制备了透明质酸改性钛涂层。细胞实验中，透明质酸的引入，改善了钛涂层的生物学性能，促进了干细胞的粘附、增殖和成骨分化。.(3) 共价键接枝固定法采用改进的LBL技术。在钛涂层表面构建I型胶原/透明质酸复合膜。改进LBL技术固定的胶原量约为670 ± 55 μg/cm2，改进LBL技术构建的复合膜浸泡后保留了91 ± 3.1%，表现出比传统技术更好的固定稳定性，延长了复合膜发挥效用的时间。与传统LBL技术相比，细胞试验改进LBL技术复合膜表现出更好的生物学性能。复合膜改性钛涂层中的I型胶原和透明质酸表现出良好的协同效应，进一步促进了细胞的粘附、增殖和成骨分化。 .(4) 动物实验结果表明，钛涂层表面固定生物大分子能有效改善钛涂层的成骨性能，改善材料-骨组织间的界面结合；I型胶原和透明质酸在体内成骨中体现出了良好的协同作用，使得复合膜改性钛涂层的成骨性能优于单一组分的改性钛涂层；改进LBL技术制备的复合膜改性钛涂层具有更快的骨整合速率和更好的成骨性能。