負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層的制備及在骨科應(yīng)用基礎(chǔ)研究

負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層的制備及在骨科應(yīng)用基礎(chǔ)研究隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,由于車(chē)禍等意外事故造成開(kāi)放性骨折、骨缺損的發(fā)病率逐年增加,加之中國(guó)社會(huì)邁向人口老齡化,骨質(zhì)疏松骨折發(fā)病率不斷增加,大量的骨科內(nèi)、外固定材料、修復(fù)與骨替代材料得到使用。同時(shí),內(nèi)植物周?chē)南嚓P(guān)感染還具有延長(zhǎng)傷口愈合周期、破壞骨科內(nèi)植物的后果,更有甚者還會(huì)因此導(dǎo)致肢體功能障礙或留有傷殘。無(wú)菌性松動(dòng)和假體周?chē)腥臼枪强苾?nèi)植物失敗的兩個(gè)主要原因,如何降低此類手術(shù)失敗風(fēng)險(xiǎn)變得格外重要。在這個(gè)領(lǐng)域中,大量的研究工作致力于研制各種各樣的內(nèi)植物涂層,而這些涂層大多只具有抗感染作用而無(wú)骨整合作用;或者,只具有骨整合作用而不具備抗感染作用。但是,要使內(nèi)植物長(zhǎng)期有效,理想的涂層應(yīng)兼顧骨整合和抗感染這兩個(gè)功能。本課題針對(duì)人體骨組織的具體構(gòu)成與微納級(jí)結(jié)構(gòu),創(chuàng)新性地將三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(具貫通孔結(jié)構(gòu))鈦涂層加載萬(wàn)古霉素,制作一種新型的控釋抗菌型具貫通孔結(jié)構(gòu)復(fù)合鈦涂層,將內(nèi)置物表面涂層圖案化,探索其對(duì)骨整合的影響;同時(shí),考察其抗菌性能,為獲得兼顧骨整合作用和抗感染作用的多功能復(fù)合涂層提供理論和實(shí)踐上的依據(jù)。第一部分:負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層的制備中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所謝有桃課題組采用等離子噴涂技術(shù)結(jié)合金屬占位填料、溶液蝕刻法成功制備出了具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層,以前的實(shí)驗(yàn)證實(shí),涂層具有互相貫通的孔隙結(jié)構(gòu)以后,生物相容性較之以前更加優(yōu)良。我們?cè)O(shè)想在涂層孔隙結(jié)構(gòu)的貫通孔內(nèi)負(fù)載入CPC-VCM混合物,使萬(wàn)古霉素可以從磷酸鈣骨水泥中緩慢釋放出來(lái)從而在具有良好生物相容性的同時(shí)起到局部抗菌作用?；谶@一理念,我們?cè)诰哓炌捉Y(jié)構(gòu)表面,根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)論及實(shí)驗(yàn)選擇特定載藥比、固-液比的CPC-VCM混合物進(jìn)行裝載,制作負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層并進(jìn)行體外釋放研究,了解負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層的體外藥物釋放規(guī)律,并對(duì)該復(fù)合涂層的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)加以評(píng)價(jià)。研究表明,等離子噴涂法能夠較好的將內(nèi)植物表面進(jìn)行圖案化處理,方便制作凸起微米柱、粗糙多孔的表面微觀形貌,眾多貫通孔結(jié)構(gòu)可以為藥物裝載和貯存提供充足的空間。磷酸鈣-萬(wàn)古霉素混合物可以在短期爆發(fā)釋放后逐漸達(dá)到穩(wěn)定的釋放速度,具有預(yù)防內(nèi)植物初期感染風(fēng)險(xiǎn)和后期低毒性慢性感染風(fēng)險(xiǎn)的潛力。第二部分:負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層抗菌性能的體外研究為了進(jìn)一步驗(yàn)證負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層的抗菌性能,通過(guò)將負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層與致病菌共培養(yǎng),研究其在抑制標(biāo)準(zhǔn)細(xì)菌耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(ATCC43300,屬M(fèi)RSA)和金黃色葡萄球菌(ATCC25923)在早期抑制細(xì)菌粘附、后期抑制細(xì)菌生物膜形成的過(guò)程中所發(fā)揮的抗菌作用,對(duì)負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層作為預(yù)防和治療骨科內(nèi)植物周?chē)嚓P(guān)感染抗菌材料表面的潛在價(jià)值進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔結(jié)構(gòu)鈦涂層表面能夠顯著抑制葡萄球菌,尤其是S‘a(chǎn)ureus及MRSA在材料涂層表面粘附、增殖及形成細(xì)菌生物膜。因此,這種新型的復(fù)合涂層材料有望用于骨科內(nèi)植物手術(shù)局部預(yù)防感染及治療由敏感菌感染引起的骨關(guān)節(jié)急慢性炎癥,包括骨髓炎等慢性感染。第三部分:負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生物學(xué)影響的體外研究為了改進(jìn)涂層的物理性能及生物活性,我們將具有生物活性的磷酸鈣-萬(wàn)古霉素復(fù)合物載入具貫通孔結(jié)構(gòu)涂層,實(shí)現(xiàn)抗生素的持續(xù)穩(wěn)定的釋放,使改性后的材料表面既能抑制細(xì)菌感染又可以具備骨整合作用。這種具有復(fù)合功能的涂層對(duì)人成骨性能的影響還不得而知。本研究通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探討負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSCs)的生物學(xué)行為(包括粘附行為、增殖行為和向成骨細(xì)胞分化的行為)的影響。結(jié)果表明,這種裝載萬(wàn)古霉素后的互相貫通的孔隙結(jié)構(gòu)表面對(duì)于hMSCs的粘附、增殖均有促進(jìn)作用,也可以促進(jìn)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化;同時(shí),負(fù)載萬(wàn)古霉素后局部釋放的抗生素在發(fā)揮預(yù)防局部感染作用的同時(shí)并沒(méi)有對(duì)細(xì)胞行為產(chǎn)生明顯負(fù)面影響。第四部分:負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層體內(nèi)抗感染動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)基于體外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)評(píng)估負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層的體內(nèi)抗感染效果。我們計(jì)劃使用耐甲氧西林金葡菌(MRSA)作為模擬急性細(xì)菌感染的菌株,在脛骨近端髓腔內(nèi)植入材料的同時(shí)植入細(xì)菌,隨訪觀察評(píng)價(jià)負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔圖案結(jié)構(gòu)鈦涂層的局部抗感染效果,同時(shí)觀察在感染狀態(tài)下初步評(píng)價(jià)對(duì)內(nèi)植物-骨界面的骨整合能力的影響。結(jié)果表明,相對(duì)于普通鈦涂層負(fù)載萬(wàn)古霉素具貫通孔結(jié)構(gòu)鈦涂層能夠