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钛及钛合金是一类生物相容性金属生物材料,被广泛应用于制备诸如牙齿植入体、骨修复固定装置或髋关节置换装置等。然而,统计数据显示目前骨固定器械(包括钛、Ti6Al4V合金等)的平均临床使用寿命仅为十二到十五年,植入体与周边骨组织间的骨-植入体整合性差导致骨修复缺乏长期稳定性。此外,在临床应用中,诸如炎症、感染、异体反应及植入体周围纤维包囊的形成等都可能引发植入体的松动与脱位,导致植入失败。基于钛及钛合金材料存在的问题,本研究利用层层组装技术在钛基材表面构建功能化微环境,赋予钛基材优良的骨整合和抗炎(抗菌)等生物学性能,调控周边组织内目标细胞的粘附、迁移、分化等生物学行为,有效诱导创伤部位的骨整合。本文的主要研究内容和结论如下:(1)钛基材表面不同多层膜的构建及其炎症效应的研究利用层层组装技术在钛材表面构建明胶(Gel)/壳聚糖(Chi)、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)/壳聚糖(Chi)和硫酸葡聚糖(DS)/壳聚糖(Chi)多层膜结构。接触角检测监控了不同多层膜在钛材表面的形成,并通过扫描电镜观察钛材表面不同多层膜的形貌结构。重点研究了巨噬细胞(RAW264.7)在不同多层膜修饰的钛材表面的炎症响应,包括巨噬细胞形态、细胞活性、酸性磷酸酶(ACP)的活性、一氧化氮(NO)的分泌以及炎症因子(TNF-α和IL-1β)的表达等。结果表明,与PSS/Chi和DS/Chi多层膜结构相比,在Gel/Chi多层膜修饰的钛基材表面巨噬细胞的激活程度和炎症响应水平较低,该多层膜结构有利于减小植入体在生物体内的炎症反应。(2)钛基材表面银纳米颗粒抗菌多层膜的制备及其抗菌效应的研究利用旋转涂布层层组装技术结合紫外照射在钛材表面构建了银纳米颗粒插层的巯基化壳聚糖(Chi-SH)/明胶(Gel)多层膜。巯基化壳聚糖分子中的巯基可以特异性结合银离子成为银离子纳米存储器,在没有其他还原剂介入的情况下经过光催化反应(紫外照射)后在多层膜结构中原位形成银纳米颗粒。接触角检测及扫描电镜观察结果证实,银纳米颗粒插层的巯基化壳聚糖(Chi-SH)/明胶(Gel)多层膜在钛材表面成功构建。Kirby–Bauer检测、细菌粘附性能考察及细胞相容性检测等结果表明,钛材表面Ag纳米颗粒功能多层膜(Ti/PEI/(Gel/Chi-SH/Ag)n/Gel)能有效抑制大肠杆菌及枯草芽孢杆菌的生长及活性,且具有较低的细胞毒性。(3)钛材表面功能化聚酰胺-胺型树枝状大分子和人源BMP2基因多层膜的构建及其促成骨效应研究利用层层组装技术在钛材表面构建了由阳离子聚酰胺-胺型树枝状大分子(PAMAM)/EGFP-hBMP2质粒DNA复合物(d-DNA)和阴离子质粒组成的多层膜。通过原子力显微镜、接触角检测及装载、释放曲线监控钛材表面BMP2多层膜的构建。观察标记基因EGFP和功能基因hBMP2在成骨细胞中的表达,考察基因活化多层膜对成骨细胞的体外诱导分化能力及体内促成骨效应。碱性磷酸酶(AKP)活性、胶原分泌、ECM矿化及成骨相关基因表达的分析结果表明,含有功能基因hBMP2的多层结构可促进体外成骨分化。组织学检查和Micro-CT影像学检查结果显示,基因功能化钛材表面组织的GFP、BMP2、OCN、OPN基因的表达及植入体周围的新生骨水平显著高于对照组。