退火处理对医用二氧化钛纳米管表面细胞行为的影响及机理研究

Titania nanotube is a great potential of in medical implant applications, especially in oral and orthopedic surgery, for its easy fabrication, excellent controllability and good cytocompatibility. Most previous work focused on the regulation of nanoscale dimension to cell growth and differentiation. There are also have some reports on the effect of crystal phase to cell differentiation, but the results are still conflicting and the discussion on mechanism is poor. In our previous study, it is demonstrated a stronger stimulation of cellular differentiation on amorphous TiO2 surface in comparison to anatase and anatase/rutile surface. In this project, the work will be continued and we are focusing on the relationship between the change of surface property and cellular activities before and after different annealing temperature. We will also explore the possible mechanism and provide a theoretical direction for the design and fabrication of biomedical TiO2 nanotube. In addition, the solid state nuclear magnetic resonance (NMR) micro-imaging will be employed as a new and non-invaded method to observe the living cellular behavior on solid biomaterials.

二氧化钛(TiO2)纳米管具有制备工艺简单、可控性高、良好的细胞相容性，逐渐成为牙科及植入骨替代材料，临床上有很大的应用潜力。针对TiO2纳米管的基础研究，多集中在不同直径的纳米管对细胞生长和成骨分化的影响。对于不同晶型TiO2影响细胞生长分化的研究也有报道，但结果各异且缺乏较深入的机理研究。申请人先前的研究结果显示，未经退火的非晶TiO2纳米管表面诱导小鼠成骨细胞MC3T3-E1的分化能力要强于锐钛矿及锐钛矿/金红石型纳米管表面。本申请拟延续上述工作，研究不同温度退火前后，TiO2纳米管表面理化性质的变化与表面细胞的生长、分化能力差异间的关系，重点探讨其可能机理，为医用TiO2纳米管的设计与加工提供理论依据和指导。此外，还将尝试将固体核磁共振微成像技术用于生物材料表面活细胞行为的观察，为固体生物材料表面观测提供一种新方法。

二氧化钛(TiO2)纳米管具有制备工艺简单、可控性高、良好的细胞相容性，逐渐成为牙科及植入骨替代材料，临床上有很大的应用潜力。针对TiO2纳米管的基础研究，多集中在不同直径的纳米管对细胞生长和成骨分化的影响，而本项目以通过调控退火温度获得的不同晶型TiO2纳米管为研究对象，分别研究了退火温度对纳米管表面形貌、晶型、硬度、杨氏模量、残余应力等，并研究了不同晶型表面诱导成骨母细胞生长和分化能力的差异，结合两方面的研究，探索并验证了材料表面的力学状态对成骨细胞分化的影响以及涉及其中的相关细胞信号通路。此外，还分析了不同晶型TiO2纳米管薄膜层与基底的结合力、摩擦系数以及在生理环境下的耐腐蚀性能等。.本项目的研究结果表明，低温（200℃，300℃）退火能获得更完整的纳米管结构，并且200℃退火的纳米管具有更低的硬度和更接近人体骨的杨氏模量，同时200℃退火获得的纳米管薄膜与基底的结合力更高，摩擦系数更低，在模拟生理环境中也具有更好的耐腐蚀性。细胞生物学试验也表明，200℃退火得到的非晶态纳米管具有更好的诱导成骨分化能力。进一步研究表明，成骨细胞中IGF-1的表达增加，并且其受力影响的剪切体变体MGF的表达也上调。. 综合以上，本项目得出以下两个重要结论：. 1. 材料表面的力学刺激是一个被忽视的可以诱导成骨分化的因素；. 2. 以往实验中通常默认450℃退火作为样品准备的最优条件，而忽略不同合成条件得到的TiO2纳米管性能的差异，因此需要根据自身合成纳米管的不同设计退火温度，以达到最优的实验效果。