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《四川大学》 2004年
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钛的表面特征及对其经皮植入生物密封的影响

吴尧  
【摘要】:经皮器械(percutaneous device)是指穿过皮肤部分植入皮下并保持部分于皮肤创口或伸出皮肤的植入体(简称PD),是生物材料科学与工程的一个重要研究领域。如用于营养物质或药物交换的经皮导管、体内各种信息观察和收集的皮肤窗口、以及植入式假肢的中间连接体等,因其应用的要求,通常需在体内保持相当长的时间。但是,直到现在临床上仍然没有一种非常理想的经皮器械,其中最待解决的问题就是经皮密封。如果不能达到经皮密封,会引起植入体的感染和上皮移行,最终导致植入失败。从上世纪50年代起,许多研究学者就开始尝试用各种各样的材料如:硅橡胶、聚酯纤维、碳、金属钽、羟基磷灰石或钛金属等作为经皮器械。然而,这些材料都存在着各种各样的问题,比如:材料与皮肤之间不能形成生物密封,从而引起感染使材料从机体中脱落;或由于材料本身极差的机械性能使其在功能状态下易发生折断等。为实现经皮密封,除要求正确合理的形态优化设计以减小应力集中和相对移动外,还必须保证经皮植入体表面与机体不同组织的紧密附着。本文通过研究改性后的具有不同表面特征的钛与机体不同组织之间的生物学反应,系统探讨材料的表面特征、材料与不同组织之间的表面界面等与生物密封形成的相互关系。 从材料学的角度出发,要实现经皮密封至少必须满足以下两个条件:一是材料与皮肤之间形成紧密的贴附;二是材料与皮下组织之间有非常良好的相容性能以实现牢固的固定。 本论文首先采用经一定条件阳极氧化的活化钛作为经皮材料,该表面具有规则均匀分布的蜂窝状微孔表面,表面氧化层的结晶度很高,主要成分为金红石和少量锐钛矿,模拟体液中能在表面上沉积一层类骨磷灰石。人表皮细胞接种于其表面上时,细胞通过局部纤细的微突即伪足与材料表面接触,且伪足 可伸入阳极氧化表面蜂窝状微孔中,说明阳极氧化的钦表面同表皮细胞之间具 有非常良好的细胞相容性,能促进材料与组织之间发生细胞水平上的结合,提 高细胞抗剪切和从材料表面上脱落的能力,使细胞最大可能牢固地栖息于材料 表面。 同时,为了改进植入体与皮下组织之间的生物相容性,增强材料表面对 组织的固定作用,本论文采用了两种材料固定皮下组织:阳极氧化活化处理钦 和表面预沉积磷酸钙层的多孔钦。当阳极氧化活化处理的钦皮下植入时,表面 能很快诱导磷酸钙的沉积,且与软组织的结合强度随时间的延长而增大,组织 学切片反映出界面上纤维结缔组织的排列与界面呈现一定的角度,并非完全平 行于材料表面。因此说明界面上新生成的钙磷层参与了软组织与植入体之间的 贴附,新生成的磷酸钙层会引导周围纤维结缔组织或胶原纤维按一定的角度长 入其结构中,使纤维结缔组织与材料表面形成钉扎式的结合且具有一定的结合 强度。界面上纤维组织的不同取向会导致不同的结合强度,垂直于界面的纤维 组织越多,纤维组织与材料表面所形成的钉扎结构越牢固,结合强度越高。阳 极氧化钦具有牢固固定皮下组织的作用,其中磷酸钙层的形成起着非常重要的 作用。另一方面,多孔钦综合了三维支架的结构优势,同时又兼备了钦金属优 良的机械性能和生物相容性,三维贯通的孔隙和合适的表面微孔结构为周围组 织的长入提供支架。它是基于生物组织的长入,从而提高植入体与机体组织间 的机械固定作用的原理,这种利用机体组织长入多孔表面而实现植入体固定的 方式称为生物固定。表面预沉积一层类骨磷灰石的多孔钦又被赋予生物活化固 定的功能。皮下植入体内后,组织在材料周围攀附生长,无明显包囊形成,也 没有任何炎性反应。软组织与样品的结合在整个种植时间内都是紧密而均匀 的。随着植入时间的延长,纤维结缔组织从材料表面的拉脱强度不断增大,远 大于无涂层的对照样品。实验结果显示材料与皮下软组织间有较好的结合,表 面类骨磷灰石的存在促进了植入体与纤维结缔组织之间的结合,因此,钦的多 孔结构结合化学沉积的类骨磷灰石涂层也能够有效固定皮下组织。 皮肤组织与纤维结缔组织能够紧密于附着于天然矿化组织表面,而生理 环境下诱导生成的磷酸钙对改善材料与软组织间的结合具有非常积极的促进 作用。生理环境中蛋白调控下生成的磷酸钙具有与骨磷灰石更相似的组成和结 构,在体内应当易被内源性生长因子等识别为骨矿物,有利于上皮细胞和纤维 川 结缔组织的附着和经皮密封的形成。因此本论文还进行了蛋白调控下仿生磷酸 钙涂层的体外制备和微观机理研究,为解决经皮密封提供方法上的支持。结果 显示,当蛋白质分子与磷酸钙在钦表面发生共沉积时,蛋白质有机分子不但能 够细化晶粒从而促进沉积层与基底材料间的结合强度,还能通过含碳的化学基 团的连接长入磷酸钙的空间结构中,在蛋白分子和磷酸钙之间形成化学键性结 合,一定浓度的蛋白质分子与磷酸钙溶液共同沉积时,磷酸钙涂层的晶体学性 能非常接近于自然骨。这将更有利于我们进一步合理制备出仿生磷酸钙涂层。 基于以上的研究,最后采用阳极氧化法初步制备出一种骨内固定的钦经皮 器械,通过动物实验,系统考察其在体内的生物学反应以及对生物密封造成的 影响。上
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:R318.08

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【引证文献】
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【同被引文献】
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