梯度结构TiO2纳米管阵列的构建及对成骨细胞行为调控机制的研究

The effect of nanostructure on the surface of bone implants on cell behaviors remains an open question. This project intends to establish a brand new type of nanostructure with gradient change in diameter and length on titanium implants fabricated by modified anodization—gradient structured TiO2 nanotube arrays, understands the growth mechanism of gradient structure, and achieves the precise control of size gradient. Effects of this new type of gradient nanostructure on osteoblast behaviors will be studied, the influence mechanism will be discussed by molecular biology, and the optimal size gradient which stimulates the function of osteoblast will be obtained. This project aims to investigate the relationship between gradient-structured TiO2 nanotube arrays and osteoblast adhesion, migration, tendency, and know the operation mechanism of gradient nanostructure on osteogenesis in vitro and in vivo, thus enhancing the rapid and prolonged connection between implants and host bones, improving osseointegration, and providing a new direction for the construction of nanostructure on bone implants.

骨科植入材料表面所构建的纳米微结构对细胞行为的影响未有定论。本课题拟采用改进的阳极氧化法在钛表面原位构建一种管径和长度尺寸呈梯度变化的新型纳米结构——梯度结构TiO2纳米管阵列，理解其管尺寸的梯度生长机制，实现纳米管阵列尺寸梯度的精确调控。研究这种新型梯度结构TiO2纳米管阵列对成骨细胞行为的影响规律，从分子生物学水平探讨影响机制，获得能积极促进成骨细胞功能的最佳尺寸梯度范围。本项目旨在通过梯度结构TiO2纳米管阵列表面的成骨细胞黏附、迁移、趋向等行为特征与管尺寸的关系等特色研究，认识体内外环境中纳米物理梯度结构对成骨功能的作用机制，促进植入钛材与宿主骨组织间快速持久的连接，改善骨整合性能，为植入钛材表面微结构的构建提供新方向。

已有的研究表明，生物材料表面的局部微环境会对与之接触的细胞的黏附、增殖、迁移、分化等行为产生显著影响。如何使骨科植入材料与宿主骨之间快速形成强而持久的连接是骨科植入材料临床成功所面临的重要问题，解决该问题对提高植入体的安全性具有重大的科学价值和临床意义。本课题采用改进的阳极氧化法在纯钛材料表面原位构建了一种管径和长度尺寸呈梯度变化的新型梯度结构TiO2纳米管阵列，表征了其形貌结构、尺寸梯度等物理化学性质，实现了对其尺寸梯度的精确调控，研究了梯度结构的形成机制，并掌握了实验参数对梯度结构的影响规律：氧化电压的使用范围决定了纳米管直径和长度梯度的范围。研究了该新型梯度结构TiO2纳米管阵列对成骨细胞行为的影响，发现在60-100nm管径的TiO2纳米管阵列较其他管径更能促进成骨细胞的粘附增殖。此外，还研究了梯度结构TiO2纳米挂阵列在动物体内对周围骨组织生长的影响。本项目旨在通过研究梯度结构TiO2纳米管阵列表面的成骨细胞的行为特征以及细胞与管尺寸的关系，认识体内外环境中纳米物理梯度结构对成骨功能的作用机制，为促进植入钛材与宿主骨组织间快速持久的连接，改善骨整合性能提供新思路。