两种典型仿生形貌羟基磷灰石的制备及其生物学性能研究

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羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAP)是硬组织中的主要无机成分。人骨中的HAP主要是以纳米级片状晶体的形式分布在胶原纤维中,而牙釉质为高度有序排列的HAP纳米棒状聚集体。棒状和片状这两种典型形貌HAP生物学性能的差异,包括对前成骨细胞作用的影响和炎症反应的调控尚不清楚。而探索具有良好生物相容性和炎症调节作用的生物材料一直是研究的热点,特别是对于钛(Ti)基植入体。因此,本论文制备了两种典型仿生形貌的HAP涂层,探讨其形貌特征以及组成特征对MC3T3-E1前成骨细胞行为的影响。并以两种典型形貌HAP颗粒作为生物分子载体,分别与淫羊藿苷和山奈酚复合,探讨两种典型形貌HAP颗粒和HAP载药颗粒的炎症调节作用。主要研究结果如下:1、利用水热电沉积法在Ti基底上制备了纳米棒状和片状两种典型仿生形貌的HAP涂层,分别为直径为70 nm左右的HAP纳米阵列涂层和尺寸为10μm×100-500 nm的片状HAP涂层。两种涂层显示出不同晶体取向、粗糙度、亲水性和结合强度。其中,棒状HAP纳米阵列增强FN吸附,促进MC3T3-E1细胞的增殖和生长,且棒状纳米阵列涂层上的MC3T3-E1细胞具有较高的成骨相关基因Runx2、碱性磷酸酶(ALP)、I型胶原(CO1 I)和骨钙蛋白(OCN)表达。结果表明有序的棒状HAP比片状HAP更有利于细胞增殖与成骨分化。2、采用水热法在纯Ti表面原位生成TiO2纳米棒阵列涂层。研究分析表明,制备得到直径为70 nm的TiO2锐钛矿涂层,且具有与水热电沉积法制备的HAP纳米棒涂层相似的形貌特征。同形貌尺寸的HAP和TiO2纳米棒阵列涂层的表面粗糙度、结合强度和FN吸附无显著差异,且MC3T3-E1细胞在两种涂层上的增殖和ALP的表达无显著性差异。但HAP纳米棒涂层上生长的MC3T3-E1细胞比TiO2涂层显示出更高的Runx2、Col I和OCN表达。结果表明,HAP纳米阵列在细胞成骨潜能方面优于TiO2纳米阵列,主要体现在MC3T3-E1成骨分化的晚期。3、通过水热法合成直径约为70 nm的棒状HAP和尺寸约为10μm×500 nm的片状HAP,这两种仿生形貌HAP颗粒分别负载淫羊藿苷和山奈酚,开展炎症反应相关研究。结果表明,棒状HAP具有更好的载药和细胞摄取能力。体外细胞试验及分子生物学研究表明,两种典型形貌的HAP均上调巨噬细胞中炎症细胞因子(白介素-1β(IL-1β)、白介素-2(IL-2)、白介素-6(IL-6)、白介素-10(IL-10)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和干扰素-γ(IFN-γ))的表达,其中片状HAP比棒状HAP诱导更多炎症相关因子的表达,表明形貌影响炎症细胞因子的表达。两种仿生形貌HAP载药颗粒上调巨噬细胞的抗炎细胞因子(IL-2、IL-10和IFN-γ)并下调促炎细胞因子(IL-1β、TNF-α和IL-6)的表达,均有效地提高了HAP的抗炎能力,且通过抑制半胱天冬酶活化和p38信号通路起到抗炎作用。本研究的新颖之处在于:(1)制备了两种典型仿生形貌的HAP涂层,研究了形貌对前成骨细胞行为影响;(2)制备形貌相同,组成不同的HAP和TiO2纳米阵列涂层,研究这两种广泛使用的生物活性涂层对前成骨细胞行为的影响;(3)从细胞学和分子生物学角度探讨了两种典型形貌HAP对炎症反应的影响及其载药颗粒的抗炎机理。对骨组织再生修复材料的设计具有重要的借鉴意义。
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