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纳米结构钽涂层增强人骨髓干细胞的成骨分化
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金属骨植入材料能够植入生物体内或与骨组织相结合，相较于高分子材料以及生物陶瓷材料，具有更高的力学强度，更好的韧性，而且表现出更为优异的加工性能。因此，金属骨植入材料在骨植入材料领域具有不可估量的应用前景。 1 骨植入材料应用现状 01需满足要求 良好的组织相容性 良好的血液相容性 较好的物理和化学稳定性 与人体骨组织相匹配的力学性能 02常用金属材料品种 钛合金、钴基合金、不锈钢、贵金属、纯金属铌、锆、钽等。 其中钛合金是应用较为广泛的一类骨植入材料。 03钛基材料的特性 优点：具有良好的生物相容性与机械性能。 缺点：（1） 植入早期，钛基植入体与人体骨组织形成机械缩合，会导致骨组织的愈合周期较长； （2） ti离子在体内环境中离子溶出，会增强细菌识别，影响成骨分化； （3） 钛合金本身不具有骨诱导性能，且植入体后易于骨组织之间产生一层纤维包裹层，易导致骨植入体松动失效。 解决办法：对钛合金植入体表面进行改性，使其表面具备特定的物理形貌和化学成分，从而有效改善与骨组织的结合。 2 钛合金表面改性形式 材料方面： 钽（ta）具有非常有益的抗蚀性和良好的生物相容性，具有良好的促进骨再生功能。经研究发现，人成骨细胞系hfob在ta涂层上表现出优异的细胞粘附和生长情况，且ta涂层与ti基体之间没有尖锐突出界面的冶金结合。 结构方面： 近年来，纳米结构修饰被用于诱导快速的骨整合。从生物力学角度看，纳米多孔表面能有效地调节细胞的生长和方向，有利于细胞骨架排列和细胞沿纳米形貌表面重排。另外，从物理角度看，纳米多孔结构与天然的细胞外基质非常相似。 3 实验过程 01材料的准备 采用阳极氧化与大气等离子喷涂相结合的方法制备了纳米结构钽(mnt)涂层，选用多孔钽(mt)涂层作为对照组，进行生物实验。 02涂层的电化学性能 为评估两种涂层的抗腐蚀性能，测试了两种涂层在生物模拟体液中的极化曲线。 03涂层的hbmscs生物学性能表征 （1）以牛血清白蛋白(bsa)和纤连蛋白(fn)为模型蛋白，进行蛋白吸附实验。 （2）将细胞接种后，通过脱水定形，利用扫描电镜分析形貌。 （3）hbmscs的粘附和增殖试验。 4 实验结果分析 01涂层的电化学性能 作为一种生物材料，希望在功能期间保持生物的无害。因此，与化学稳定性相关的耐蚀性是影响金属生物材料生物相容性的重要指标。下图为mt涂层和mnt涂层的极化曲线，即可表征其耐腐蚀性能。 结果如图所示，mnt涂层表现出比mt涂层更强的抗腐蚀性，这是因为相对致密的结构更加有利于阻挡ti基体与液体的接触，减少了腐蚀的发生。 02蛋白质吸附 有充分的证据表明，细胞对材料的反应强烈依赖于材料表面从血清中吸附的蛋白质。血清白蛋白是血浆中主要的转运蛋白，在调节成骨细胞的生长和功能，如促进细胞增殖等方面发挥重要作用。此外，整合素-纤连蛋白(fn)相互作用在成骨功能中发挥重要作用，为细胞通过整合素受体连接、扩散和分化提供了结构框架。 4 h后，mnt表面对bsa和fn的吸附率显著提高，这主要是由于mnt的纳米级形貌和亲水性。纳米结构增强了吸附蛋白的展开，促进了与特定受体的相互作用，这一点已经得到了很好的证实。同时，mnt负电荷的减少也部分增强了其对bsa和fn这两种负电荷蛋白的吸附。此外，mt涂层和mnt涂层中粘附蛋白fn的含量均大于非粘附蛋白bsa的含量。在骨植入过程中，血浆纤维连接蛋白在植入物和骨腔之间沉积形成血凝块，帮助骨间充质干细胞(bmscs)迁移到植入物表面并分化。因此，fn在mnt涂层表面较高的吸附能力表明，mnt涂层可以增强成骨诱导能力，促进种植体成骨。 03细胞形态 相比于mt涂层，mnt涂层表面吸收更多的纳米级fn，这意味着mnt涂层表面粗糙的微/纳米级结构可以增强细胞粘附。图中显示了在mt和mnt样品表面培养4天后细胞形态的sem图像。经过4天的孵育，涂层表面hbmsc的形态发生了明显的变化。在mt涂层表面，大量细胞呈梭形或圆形，很少有丝状伪足(图a)。与mt涂层上的细胞相比，随着纳米管的引入，细胞在mnt表面呈现出更高程度的扩散和相互作用，如图c所示，细胞呈相对较大的多边形形态。近距离观察发现mnt表面丝状伪足丰富(图d,e)。 从(b)可以看出，细胞在mt涂层上呈现纺锤形形态，较少拉伸形态。从(d)可以看出，在mnt涂层上，细胞完全扩散，具有良好的拉伸形态和较大的尺寸。从(e)可以看出纳米管表面与hbmsc的丝状伪足有良好的相互作用；从(f)可以看出，丝状伪足表现出良好的相互作用与mnt表面。(橙色轮廓表示细胞在mt涂层表面的近似形态。红色箭头表示mnt涂层上hbmscs的丝状伪足)。 04细胞附着与增殖 细胞附着在表面对成骨细胞的扩散、分化和最终形成新骨至关重要。然而，较高的粘附并不支持表明细胞是存活的。因此，本研究通过检测培养在mt涂层和mnt涂层上的hbmscs的附着和增殖情况，结果如下图所示。 测试结果表明，细胞在mnt涂层表面的粘附情况比mt涂层上更佳，在培养4天和7天后，增殖速度明显高于mt涂层。这一方面由于蛋白质更多的在mnt表面的吸附，有文献报道，bsa的吸附有利于hbmscs细胞的增殖和粘附行为。mnt涂层相比mt涂层表现出更强的抗蚀性，稳定的化学性质也对细胞行为产生了积极的影响。致密的mnt涂层能够进一步的阻挡ti离子的少量溶出，从而使得涂层表现出更高的细胞相容性。 5 结论 通过对比纳米结构钽(mnt)涂层和多孔钽（mt）的多项性能，可得出如下结果： (1)mnt涂层的耐蚀性提高了大约一个数量级，因为覆盖在表面的钽氧化物可以作为一个屏障来减少sbf溶液中金属离子的释放。 (2)mnt涂层在体外表现出更好的hbmscs细胞扩散性和细胞相容性。 这些结果都表明，钽涂层的分层微纳米结构在改善钛金属种植体的骨整合方面具有很好的应用前景。 |
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