基因工程技术进行纯钛表面改性的基础研究

纯钛具备与骨组织发生结合的特殊生物学性质，因此作为人工牙根材料已在全世界得到广泛的应用。然而，目前纯钛牙种植体与骨组织发生骨结合需要数周乃至数月的时间，造成种植牙治疗周期过长，给患者带来不便，并因此增加了医疗成本。单纯从物理形貌或化学组成上对纯钛表面进行改性处理尚无法很好解决这个问题。最新研究结果发现，骨结合基因（TO）可以主动调控骨组织再生修复过程，是促进骨结合速度、提高骨结合质量的关键因素，但利用TO基因调控作用进行纯钛表面改性的研究尚未见报道。本研究拟采用基因工程方法，结合改良的纯钛表面微弧氧化-电泳处理技术，将载有TO基因的穿梭质粒载体导入纯钛表面的三维孔隙层，通过对周围骨组织细胞的基因转导，主动诱导和调控骨结合进程，达到缩短钛-骨结合时间并提高结合质量的目的。本研究还将通过系列体内外实验，对基因转导效率和改性表面的生物学效果进行全面验证，为构建新型纯钛种植体提供思路和技术支持。

纯钛作为医用植入材料，尤其是人工牙根材料，已经在临床应用中取得了极大的成功，这在客观上也推动了“种植牙”理念和技术的普及。然而纯钛种植体与骨组织发生骨结合所需的时间较长，如何改善纯钛植入体表面的生物学性能以加快骨结合的速度就成为近年来的一个研究重点。有学者利用酸、碱及多种化学试剂进行纯钛表面处理，也有人采用羟基磷灰石、多肽、蛋白质等各种生物活性材料进行纯钛表面涂层，还有学者利用电化学、高能物理和纳米技术改变纯钛表面的物理形貌或化学组成，目的都是增强纯钛植入体的骨组织相容性和诱导成骨的活性。这些研究都在一定程度上取得了进展，目前的牙种植体产品的骨结合时间已经从最初的3-6个月缩短为2-3个月，然而这却仍不能满足广大患者进一步缩短“种植牙”治疗周期的临床要求。. 本课题组在研究骨结合相关基因主动调控和促进骨结合速度的分子机理的基础上，结合改良的纯钛表面微弧氧化-电泳处理技术和基因工程技术，将载有骨结合相关基因的穿梭质粒载体导入纯钛表面的三维孔隙层，通过对周围骨组织细胞的基因转导，主动诱导和调控骨结合进程，达到缩短钛-骨结合时间并提高结合质量的目的。通过本项研究，我们对维弧氧化-电泳技术的处理工艺及关键电化学参数进行了筛选和确定，目前已经能够稳定的在纯钛表面构建一层粗糙的（Ra=1.56±0.21）含有羟基磷灰石微粒的互相联通的三维孔隙层，其厚度在10微米（8.63±1.08）以内，孔隙率达到70%以上，这就给生物活性物质的驻留提供了基本的空间；再利用基因工程技术，分别将BMP、涎蛋白和RunX2基因整合到DNA穿梭质粒载体中，并完成了相应的测序和鉴定工作；研究并确定了一种几多糖加胶原混合制备温敏型凝胶的方法，由此通过静电+物理吸附的方法显著提高了穿梭质粒的吸附效率和吸附剂量；将骨髓基质细胞接种于基因工程化纯钛表面，确认了新型纯钛表面对于成骨细胞的体外转染、表达和成骨促进作用；最后通过动物实验将这种纯钛种植体再次植入到制备过缺牙模型的动物颌骨组织内，结果表明在3-4周时间内，纯钛种植体就完成了钛-骨结合的过程。以上研究结果充分验证了新型基因工程化的纯钛表面在体内和体外促进成骨的生物学作用，这种新型的基因工程化生物改性方法，有望突破骨结合时间上的“瓶颈”，为未来医用纯钛植入材料表面改性尤其是新型纯钛牙种植体产品的研发提供了新的思路。