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种植体表面电沉积法构建生物功能性高分子涂层

张贞  
【摘要】:研究背景和目的 目前钛和钛合金在矫形和口腔颌面种植领域广为应用。虽然钛种植体可以和骨组织形成骨整合,但是钛金属属于生物惰性金属,不具备生物活性,所以通过表面改性使种植体表面具有生物活性一直是学者们的努力方向。种植体表面改性技术可分为两大类,一类是在改变种植体表面性质,包括表面形貌,理化性质和生物学性能;另外一类方法是在种植体表面构建具有载入和缓释功能的生物高分子分子涂层。后者是目前极具潜力的研究方向之一。 本研究采用电化学的方法在种植体表面构建具有载入和缓释功能的多糖和蛋白复合高分子涂层。壳聚糖具有较好的生物相容性和生物降解性,并可以用作药物缓释载体,组织工程载体和基因载体。利用电沉积技术可以将壳聚糖沉积到种植体表面构建壳聚糖涂层。这种新方法可将壳聚糖沉积在各种形态的钛种植体表面,特别是非线性种植体表面,而且操作简单,易于调节膜厚和强度。另外壳聚糖在溶液中带正电荷,因此可将其他两性蛋白分子与之共混后共同电沉积在种植体表面,根据混入的蛋白不同,获得的涂层具有不同的生物活性。 在第一部分实验中我们将明胶混入到壳聚糖涂层中,以改善涂层的机械性能和生物活性。为将基因片段和药物的载入和缓释研究做铺垫。在第二部分试验中我们采用了低温电沉积的方法,将丝素蛋白和壳聚糖共同沉积在种植体表面,为进一步将活性蛋白和功能细胞载入研究做前期探索工作。 研究方法 在第一部分试验中,我们将壳聚糖(chitosan, CS)和明胶(gelatin, G)以不同质量比例(100/0、70/30、50/50、30/70、0/100)混合,采用电沉积的方法在钛种植体表面形成不同比例的壳聚糖/明胶复合涂层,并通过扫描电镜观察其显微结构。采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱了解涂层中高分子化学键的变化规律。通过X-射线衍射分析了解涂层中壳聚糖和明胶的结晶情况,接触角测量仪检测涂层的化学性质和湿润性。在不同涂层表面培养成骨样细胞(MG63)。采用四唑盐(CCK-8)检测细胞在涂层表面的增殖活性;吖啶橙染色以及扫描电镜观测细胞粘附形态;罗丹明-鬼笔环肽免疫荧光染色检测细胞伸展和活力。 在第二部分实验中我们将壳聚糖和丝素蛋白(silk fibroin,SF)以不同的比例混合(CS, SF30, SF50, SF70, SF),通过低温电沉积的方法,在钛种植体表面构建壳聚糖/丝素蛋白复合涂层,通过对电沉积溶液的pH值,粒子的等效直径和表面电荷的分析,了解电沉积溶液中壳聚糖和丝素蛋白的结合机理,并对壳聚糖和丝素蛋白共沉积的原理做合理的推测和解释,同时采用和第一部分实验类似的方法检测涂层的理化性质和生物相容性,另外还通过热重分析和元素分析进一步了解涂层的热力学性质和构成比例。 研究结果 通过电沉积的方法,CS/G-100/0.CS/G-70/30.CS/G-50/50.CS/G-30/70组钛表面均有涂层产生,而CS/G-0/100组钛表面无涂层形成。不同组涂层宏观形貌和扫描电镜显微结构无明显差别。衰减全反射傅里叶变换红外光谱和X-射线衍射表明不同组涂层微化学结构不同。不同组涂层表面的细胞增殖检测证明了细胞的增殖活性随着混合涂层中明胶的含量增加而增强,其中CS/G-30/70组细胞的增殖活性最高,且高于纯钛组(p0.05)。吖啶橙染色和扫描电镜检测结果表明细胞在CS/G-100/0组涂层表面极少有细胞粘附,在CS/G-50/50.CS/G-70/30组涂层表面细胞未完全展开,在CS/G-30/70组涂层表面的粘附形态最佳。罗丹明-鬼笔环肽免疫荧光染色也证实细胞在CS/G-30/70组涂层表面比其它组伸展完全。四环素载入后,涂层具有较好的抗菌性能。 通过低温电沉积的方法,CS.SF30.SF50及SF70组在钛表面形成多孔的凝胶涂层,根据pH值.Zeta电位和粒径研究可以推知丝素蛋白和壳聚糖通过相互的电荷作用形成共聚电解质,然后再电场的作用下向阴极移动,最终沉积在钛表面。热力学实验和红外检测均表明了壳聚糖和丝素蛋白之间有某种化学键合,推测是壳聚糖分子表面的氨基基团和丝素蛋白表面的羧基集团之间形成氢键。元素分析定量的表明了在丝素蛋白在涂层中的含量于在电沉积溶液中的含量成正比。剪切力和拉伸实验表明随着丝素蛋白在涂层中的含量提高,涂层的粘附强度增高。细胞学实验表明了SF50组和SF70组具有较好的生物相容性。 研究结论 通过电沉积法可在钛表面构建壳聚糖/明胶复合涂层,壳聚糖作为载体将明胶载入到钛种植体表面,明胶的载入不仅增强了涂层的粘附强度,而且改善了涂层的生物相容性。在低温条件下,丝素蛋白保持稳稳定,加入壳聚糖后通过与壳聚糖骨架链表面的正电荷相结合形成共聚电解质,然后与壳聚糖共同沉积到阴极表面。同样,丝素蛋白的加入也明显改善了涂层的生物相容性。运用低温电沉积的方法构建的壳聚糖明胶涂层可用于基因片段、生物活性蛋白甚至是功能性活细胞的载入。


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