兼具诱导成骨和成血管的钛材表面工程研究

In clinical, the titanium implant has the poor ability of integration with the surrounding tissue. Furthermore, it will result in the death of the surrounding tissue because of hypoxia. Therefore, in this project, we prepare to improve the ability of integration. Meanwhile, we want to build the blood system on the surface, which can provide oxygen and nourishment for the surrounding tissue and excrete the metabolic wastes. The contact guidance, as well as the growth factors, will be applied to promote the proliferation and the differentiation of bone mesenchymal stem cells. The coating of hydroxyapatite and titanium dioxide will be prepared on the surface of titanium by the method of microarc oxidation. The blood network will be produced on the coating after covered with paraffin, carved by laser and erode by hydrofluoric acid. Furthermore, the microsphere of HA/BMP-2 and VEGF will be grafted on the surface. With these compositions and structures, when the implant is cultured with mesenchymal stem cells, the HA and BMP-2 can induced BMSCs to differentiate into osteoblasts, and promote the formation of new bone. On the other hand, VEGF stimulate BMSCs to differentiate into endothelial cell and create the blood system on the surface of implant, which can provide oxygen and nourishment for the surrounding tissue and excrete the metabolic wastes. Therefore, with the results of this project, we may provide the new idea for the surface modification of titanium biomaterials.

在骨临床上，钛植入体与周边组织整合性差，并且周边组织容易发生缺氧坏死现象。本项目旨在提高钛植入体与骨整合性，同时在钛材表面建立血管网络，为钛周边组织提供氧及营养物质并排除代谢产物。本项目的核心是结合利用接触引导引起的细胞增殖和生长因子诱导的骨髓间充质干细胞（BMSCs）定向分化。通过微弧氧化技术在钛材表面制备具有多孔结构且结合紧密的羟基磷灰石/二氧化钛混合涂层，并通过石蜡覆膜、激光雕刻和氢氟酸腐蚀在涂层上制备血管网络结构；在涂层上引入羟基磷灰石/骨形态发生蛋白（HA/BMP-2）微球和接枝血管内皮生长因子（VEGF）。改性后的钛材在与BMSCs接触时，HA/BMP-2诱导BMSCs向成骨细胞分化，促进新生骨组织形成，提高钛材的骨整合性；而VEGF诱导BMSCs向内皮细胞分化，促进血管网络形成，为新生骨组织提供营养物质和排除代谢产物。项目可为钛基生物材料的表面改性提供新思路。

钛及钛合金是非生物活性材料，在用作骨修复时，与骨的结合仅为惰性结合。而且, 在修复大段骨缺损时，其周围组织容易发生缺氧坏死，其主要原因在于未能很好解决钛材表面血管化问题。因此，在钛材表面建立血管网络，改善钛材表面生物活性，不仅能提高钛材与骨之间的骨整合性，还能有效地改善临床上钛植入体植入后周围组织因缺氧导致的坏死现象。. 本研究通过在微弧氧化法在钛材表面生成羟基磷灰石/二氧化钛的混合涂层。扫描电镜结果表明：表面平整的钛材经过处理后，表面形成孔径为5μm的微孔。X射线衍射仪结果表明：该涂层是含有羟基磷灰石和二氧化钛的混合涂层。由于经过高压放电和微弧氧化两个过程，钛材表面形成的陶瓷膜致密均匀、结合牢固。与传统的等离子喷涂、磁控管溅射、电化学沉积等方法比较，微弧氧化制备的涂层具有更好的耐磨损、耐热性和抗腐蚀性。. 在本研究中，我们在钛材表面涂层上覆盖一层不溶于HF的石蜡。通过激光雕刻机依照设计的图案在石蜡上雕刻，暴露出混合涂层。然后在一定浓度的氢氟酸中进行腐蚀，暴露出的混合涂层被HF腐蚀，露出钛基材，形成图案。通过在钛材表面模拟不同直径的血管构建不同的血管网络图案，腐蚀和磨损试验表明，生成的图案具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。 . 将构建血管网络后的钛片与成骨细胞共培养，分别测试4天和7天后成骨细胞活性。结果表明，当材料表面接种成骨细胞，在与细胞共培养4天后，与空白对照组对比，钛材表面构建的小动脉与对照组无差异。而空白对照组和小动脉组的细胞活性显著优于肌肉动脉组和股动脉组(P<0.05)。与成骨细胞共培养7天后，空白对照组、小动脉组和股动脉组之间细胞活性无差异。而肌肉动脉组的细胞活性显著低于其他三组(P<0.05)。.经过多巴胺聚合，在钛材表面的血管网络结构上接枝了血管内皮生长因子（VEGF）， 在其他部位添加胶原蛋白。改性后的钛材与骨髓间充质干细胞共培养4天和7天后，对内皮细胞特异性基因（VWF和FLK-1）和成骨细胞的特异性基因（ALP,OPN和OS）的基因表达进行研究，结果表明，接枝了双因子的钛材对内皮细胞和成骨细胞的基因表达都有促进作用。说明改性后的钛材有利于促进血管和骨形成。. 本项目的研究不仅为钛基生物材料的表面改性提供新思路，也为解决临床植入体植入后导致周围组织缺氧坏死现象提供新方法和科学依据。