编号：YYHY00981

篇名：钛合金表面修饰多级孔分子筛涂层缓释双膦酸盐调控骨代谢的研究

作者： 刘畅

关键词： Ti6Al4V合金; 多级孔分子筛涂层; 骨质疏松; 唑来膦酸; 骨代谢; 骨整合;

机构： 中南大学

摘要： 临床上,骨质疏松（Osteoporosis,OP）患者髋关节骨折行置换术后常因假体下沉、松动和假体周围骨折而面临再次甚至多次翻修手术。这些问题主要源于钛合金假体的表面惰性及难以发挥调控OP患者“成骨-破骨微环境失衡”的生物学功能。临床一线抗OP药物唑来膦酸（Zoledronic acid,ZOL）能够抑制破骨细胞分化导致的骨过度吸收,重塑成骨-破骨微环境,从而促进骨再生。然而,如何提高ZOL的生物利用率,并维持其在假体与宿主骨界面的适当药物浓度,已成为延长OP患者假体服役寿命的关键环节。本论文于3D打印多孔钛合金（3D-printed porous titanium alloy,pTi）表面构建了Ca2+功能化的多级孔分子筛涂层,通过Ca2+螯合作用和介孔孔道吸附作用实现ZOL的高效负载和长期缓释;同时,通过系列研究明确其调控“成骨-破骨微环境”和促进OP状态下假体界面骨整合和调节骨代谢的能力。本论文的主要研究内容和结论如下: （1）pTi表面多级孔分子筛涂层的不同制备策略对其理化性能和细胞命运调控的影响。采用电子束熔融成型技术制备了孔隙率为75%的多孔Ti6Al4V支架,基体表现为典型的α+β相钛合金,断口呈现出韧性穿晶断裂特点,表明其具有良好的塑韧性。使用“原位生长法+脱铝改性”法、“二次生长法+脱铝改性”法和“层层静电自组装”（Layer by Layer assembly,LBL）法在pTi表面构建了具有“微孔-介孔-大孔”空间梯度结构的功能化界面。LBL策略组钛合金基体中有新的α相析出,表现出了更加优异的力学强度;此外,该组涂层较其他两种方法制备的涂层更加均匀致密,其表面粗糙度和亲水性均得到显著提升,且能够促进微环境中成骨前体细胞的粘附、增殖和延伸,提升细胞的成骨分化能力,呈现出了优异的生物相容性和最佳的成骨诱导能力。 （2）多级孔分子筛涂层负载、释放ZOL能力及其生物相容性研究。多级孔分子筛涂层中的“介孔”结构的引入被证实促进了微环境中骨髓间充质干细胞的粘附及相关vinculin蛋白的表达,提高了钙结节形成水平。优选LBL策略在pTi表面构建了负载ZOL药物的Ca2+功能化多级孔分子筛涂层,通过Ca2+与ZOL间的螯合作用和涂层“介孔”孔道的吸附作用协同实现ZOL的高效负载;随后,通过自由扩散和周围环境中Na+与Ca2+的离子交换作用实现药物的长期缓释。此外,载药涂层表现出更优的细胞铺展和伪足延伸,表明其具有良好的生物相容性。 （3）不同浓度ZOL对成骨-破骨平衡中细胞命运的调控作用。构建不同浓度（5、10、20μg/m L）ZOL的载药分子筛涂层。体外研究表明,各组植入物表面和周围的细胞增殖、存活和细胞形态均未见显著差异,且各组的体内实验证实动物主要脏器的组织形态学结构均未发生病理性改变。此外,10μg/m L浓度组可抑制成熟破骨细胞的形成、减少破骨细胞相关的骨吸收作用、诱导破骨细胞凋亡,同时发挥了优异的成骨诱导和钙沉积能力。最终优选出具有良好的体内外生物相容性、并能调控微环境的成骨-破骨平衡的10μg/m L浓度组的载药涂层用于动物实验。 （4）负载ZOL的多级孔分子筛涂层对OP状态下植入物骨整合和骨代谢的调控。以OP兔的病理条件为基础,将不同组别支架植入兔左侧股骨远端外侧髁,Micro-CT证实了多级孔分子筛涂层递送ZOL能够显著改善植入物与宿主骨界面间的骨整合能力;双荧光标记和亚甲基蓝-品红染色可见,载ZOL组钙沉积速率显著高于其他组,新生骨组织可长入支架的中心区域,证实局部递送ZOL能够有效促进新生骨组织长入。植入物周围骨质免疫组化染色可见,载ZOL组可显著下调骨质内核因子κB受体活化因子配体/骨保护素比例并上调成骨相关蛋白碱性磷酸酶和骨钙素的表达,确证了涂层局部递送ZOL能有效改善OP状态下植入物周围骨质的骨代谢情况。