Ti假体表面TiO2纳米管/加载rhBMP-2复合涂层的构建及其对骨整合影响机制的研究

The lack of osseointegration and sticking and increasing osteolysis between bones and prosthesis are the basic reasons to lead prosthesis loosening. In order to prevent prosthesis aseptic loosening, it is of great significance to promote osseointegration of the implant/bone interface in improving surface biological activity by surface treatment of the implant materials. We adopt anodic oxidation to construct TiO2 nanotube arrays on the surface of Ti prosthesis and we control the micro structure parameters of TiO2 nanotubes array through adjusting of their preparation parameters. We achieve grafting of target functional groups to the surface of TiO2 nanotubes radiation of electrical beam, in order to improve TiO2 nanotubes' similarities to bones in topology construction and chemistry properties to promote the stick of prosthesis to the bone. We also combine rhBMP-2, a osteoblast growth factor, to the TiO2 nanotube arrays in order to induce osseointegration, and TiO2 nanotube arrays also help targetting to specific site effect of rhBMP-2 in the process. We minimize the releasing total amount of rhBMP-2 by inspecting and controling the carry and release of rhBMP-2 so that we could reduce the risk of ectopic ossification. This research will provide a new method of effectively prevention and cure of prosthesis aseptic loosening after artificial joint arthroplasty.

由于骨与植入物之间的粘附成骨不足、骨溶解加强导致的假体松动是造成人工关节置换术后失败和翻修的主要原因之一。通过植入物表面处理提高其表面生物活性从而促进植入物/骨界面的骨整合对防止假体松动具有重要意义。本项目通过阳极氧化法在Ti假体表面构建TiO2纳米管阵列，通过其构建机制的研究实现对结构参数的调控。通过电子束辐照在TiO2纳米管表面进行官能团原位接枝，提高其与天然骨表面微细观拓扑构型及化学特性的相似性，促进骨整合；通过官能团反应机制的研究与控制实现目标官能团接枝；进行接枝过程的热力学与动力学研究，实现高接枝率与接枝反应速率。同时，在TiO2纳米管中加载成骨细胞生长因子rhBMP-2，以进一步诱导成骨并发挥纳米管阵列的特异位点靶向作用；通过对rhBMP-2载、释行为的考察与控制，实现其释放总量的最小化，降低异位骨化风险。本项目的研究将为人工关节置换术后假体无菌性松动提供行之有效的防治新方法。

由于骨与植入物之间的粘附成骨不足、骨溶解加强导致的假体松动是造成人工关节置换术后失败和翻修的主要原因之一。钛和钛合金因具有优良的生物相容性、生物惰性、高强度、弹性模量与骨模量接近等优点，而成为生物医学领域令人瞩目的假体材料。钛合金假体在人体内与骨之间为机械性的连接，而不是强有力的化学键结合方式，为了进一步改善植入假体的生物相容性、抗磨损和腐蚀性能，有必要对钛合金进行表面改性。在钛和钛合金表面原位生长TiO2纳米管，可作为药物负载部位和成骨细胞的生长点，通过改变实验条件调控TiO2纳米管的管径、管长，以便实现对药物的载/释过程的更好控制。.在本项目中，通过电化学阳极氧化法在纯Ti表面制备TiO2纳米管，分别在水基和有机电解液中，研究氧化电压、时间对TiO2纳米管形貌的影响。研究发现在0.5wt% HF电解液中，氧化电压在10-25V之间，均可制备出TiO2纳米管。随着氧化电压的增大，由于电场强度在水平和竖直方向上的分量不断变大，纳米管的管径和管长都不断增大。氧化时间会影响纳米管的管长，随着氧化时间从30min增加到120min，纳米管的长度从187nm增大到279nm。由于水基电解液中H+ 浓度高，溶液腐蚀性较强，使得纳米管阵列不规则，存在较多的缺陷，并且纳米管长度较小。采用含有0.09M NH4F的乙二醇/水（醇水比=9:1）制备出了结构规则、长度更长的纳米管阵列。.与在纯Ti上制备的纳米管阵列相比，利用Ti-35Nb-2Ta-3Zr合金得到的纳米管阵列，表面粗糙度高，且纳米管中含有 Nb, Ta, Zr合金元素。以含有0.09M的NH4F的乙二醇/水作为电解液，得到的纳米管阵列管径尺寸均匀。当保持其他实验条件不变时，将电解液更换为1M H3PO4和0.5wt% NaF，得到的纳米管管径大小各异，说明纳米管管径尺寸与电解液的成分有关。.此外，本项目研究了Ti-35Nb-2Ta-3Zr合金变形度对纳米管形貌、物相结构的影响。最后，我们对TiO2纳米管结构进行了结构优化，采用两次阳极氧化法制备了高度有序的TiO2纳米管阵列，通过多次阳极氧化，制备了多层TiO2纳米管结构，为后续的药物载/释提供材料基础。