钛植入物表面纳米结构的BMP-2功能化及生物学效应研究

The lack of osseointegration and increasing osteolysis between the implant and bone tissue are the basic reasons to lead prosthesis loosening, which is the one of the main reasons resulting arthroplasty failure and revision. 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 to control the structure of TiO2 nanotubes array through exploring the mechanism of growth process and structure regulation. We achieve grafting of target functional groups to the surface of TiO2 nanotubes radiation of electrical beam, in order to improve osteogenic factor and cell binding properties to promote osseointegration. We load BMP-2 to the TiO2 nanotube arrays in order to induce osteoblast adhesion, and TiO2 nanotube arrays also help target to specific site effect of BMP-2 in the process. We minimize the total releasing amount of BMP-2 by controlling the amount of load and release of BMP-2 so that we could reduce the risk of ectopic ossification. This research will provide a new method for the prevention and treatment of prosthesis aseptic loosening after artificial joint replacement.

植入物与骨组织之间的粘附成骨不足、骨溶解加强导致的假体松动是致使人工关节置换术后失败和翻修的主要原因之一。通过植入物表面物理与化学状态的改善提高生物活性、促进植入物/骨界面的骨整合对预防假体松动具有积极作用。本项目通过电化学途径在Ti假体表面生成TiO2纳米管阵列，通过其生长过程与结构调控机制的研究实现其可控构建。应用加速器电子束对TiO2纳米管表面辐照活化与原位官能团接枝，改善其与成骨因子与细胞的负载与结合特性，以促进骨整合；对官能团接枝反应机制与过程热力学、动力学进行研究，获得优化接枝率与反应速率。在TiO2纳米管中负载BMP-2，诱导成骨细胞黏附并发挥纳米管阵列的特异位点靶向作用；进行BMP-2的负载与释放动力学考察，调控实现释放总量的最小化，进一步降低异位骨化风险。本项目的工作将为人工关节置换术后假体无菌性松动的防治提供具有竞争力的新方法。

研究背景：全关节置换术被认为是20世纪医疗保健领域最大的进展之一，当前假体松动是人工关节置换手术失败及限制假体使用年限的最主要原因，也是目前人工关节研究的热点和难点。骨溶解和无菌性松动是全关节关节翻修术最常见原因之一。植入物和周围骨组织之间快速的初始稳定和长期骨整合是下一代骨科生物材料设计的主要焦点。因此，植入物的表面特性例如形貌和化学是骨-植入物获得直接接触的关键因素。.目的：在 Ti 表面可控构建 TiO2 纳米管结构，并在此基础上加载成骨细胞生长因子BMP-2，并通过体内外实验探索其促骨形成的能力。.方法：首先，采用电化学阳极氧化处理在钛的表面构建 TiO2 纳米管，采用共价移植将 BMP-2 固化在已构建的 TiO2 纳米管表面。随后，通过TiO2纳米管/载BMP-2涂层的体外细胞试验，测定成骨细胞活性。最后，TiO2纳米管/载BMP-2涂层假体植入大白兔胫骨部位，通过体内实验测定植入物假体与骨的整合行为。.结果：含0.09M NH4F的乙二醇/水（醇水比为9:1）电解液中，60V电压阳极氧化30min可以获得最佳的TiO2纳米管表面形貌，此时纳米管的内径平均为125nm，外径为170nm，管长为1.05µm。实验分为两组：TiO2纳米管(NTTi)和TiO2纳米管/载BMP-2组(NTTi-BMP)。体外实验证明，第7天及14天，NTTi的蛋白含量及ALP均小于NTTi-BMP，第7天时NTTi的增殖小于NTTi-BMP。NTTi组钙结节数量明显少于NTTi-BMP组，NTTi组上的黏附细胞明显少于NTTi-BMP组。体内实验证明，影像学检测发现NTTi-BMP，NTTi均有良好的骨长入，甲苯胺蓝染色结果发现NTTi-BMP骨形成量明显多于NTTi组，HE染色的结果同样证明NTTi-BMP组形成的骨组织明显多于NTTi组。.结论：本课题通过体内外实验研究证明，在 Ti 表面可控构建 TiO2 纳米管结构，并在此基础上加载成骨细胞生长因子BMP-2能促进新骨形成，为人工关节置换术后假体无菌性松动的防治提供行之有效的新的思路和方法。