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表面硅烷化改性纯钛及其细胞相容性研究

作　者: 刘绪建
导　师: 宁成云
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料学
关键词: 纯钛表面改性碱处理硅烷化细胞相容性
分类号: R318.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

钛及其合金材料具有良好的机械性能和生物相容性,在口腔和骨修复以及外科矫形种植领域有着广泛的应用。但是,钛作为生物惰性材料,植入人体后很难和宿主骨间形成强有力的化学键合；除此之外,钛表面形成的氧化膜很薄,在生理环境和负载条件下,无法完全阻止种植体向基体材料释放金属离子。这些都严重影响了钛基种植体的临床应用。因此,有必要对钛进行表面改性来完善其生物学性能以适应临床应用。为了促进材料表面的细胞粘附、增殖和分化并且改善组织愈合,本研究首先对纯钛表面进行碱洗处理,再通过采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH-550)硅烷化改性处理在表面构建过渡层,并体外评价活性过渡层对成骨细胞生物学的影响。为了在钛表面获得富含Ti-OH基团的活性氧化膜,纯钛首先进行了碱处理。处理后借助XRD(X-射线衍射)、XPS(X-光电子能谱)表征表面的化学成分,SEM(扫描电镜)观察钛表面氧化膜的微观形貌。结果显示,碱处理后钛表面为微孔结构,表面为含羟基的二氧化钛层。表明碱热处理后的纯钛表面富含的羟基增加了材料的活性,而且通过钛羟基与硅醇的缩合反应为纯钛材料表面硅烷化提供了可能。纯钛经过碱热预处理以后,本研究通过采用直接浸渍法和冷凝回流法在材料表面共价固定γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550),然后通过KH-550的活性氨基基团还可以作为后续实验中固定生物大分子的功能基团,为金属材料的生物化、智能化奠定基础。采用SEM、XPS、EDX(X-射线能谱仪)FT-IR(傅里叶红外光谱仪)等技术及其他现代分析手段对材料进行较为深入系统的研究。通过对体外培养的4-5代HMSCs(入骨髓间质干细胞)在材料表面黏附、增殖及分化的检测,评价材料的细胞相容性。结果显示硅烷化改性纯钛可促进HMSCs向成骨细胞分化,并且促进了细胞的早期黏附,用荧光免疫组化的方法对细胞骨架蛋白观察发现在24h内可使形成良好的铺展形态；倒置荧光显微镜和扫描电镜观察及MTT结果表明硅烷化改性纯钛具有良好的生物相容性,可促进人骨髓间质干细胞在活性层表面的黏附、铺展、增殖和分化。本文通过利用硅烷化改性的方法研究了纯钛材料表面构建活性过渡层的可行性,为钛基金属的表面改性和生物活性设计提供了一种新思路。活性过渡层使材料表面成分更为合理,在分子及细胞水平符合细胞、机体的要求,将可能使材料表面特性在骨整合不同阶段更加优化及合理。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-24
  1.1 生物化学改性方法概况  14-15
  1.2 钛表面生物分子固定前的处理技术  15-16
    1.2.1 化学处理  15
    1.2.2 低温等离子体处理  15-16
    1.2.3 离子注入  16
    1.2.4 自组装单层  16
  1.3 材料表面硅烷化  16-22
    1.3.1 硅烷偶联剂的发展历史  17-18
    1.3.2 硅烷偶联剂的结构及其作用机理  18
    1.3.3 化学键合理论  18-20
      1.3.3.1 硅烷对有机物的作用机理  19
      1.3.3.2 硅烷对无机非金属材料的作用机理  19-20
      1.3.3.3 硅烷对金属材料的作用机理  20
    1.3.4 物理作用理论  20-21
    1.3.5 表面浸润理论(或表面能理论)  21
    1.3.6 可逆平衡理论  21
    1.3.7 酸碱相互作用理论  21-22
  1.4 钛基金属材料表面进行有机分子固定预处理的研究现状  22
  1.5 本课题的目的和研究意义  22-24
第二章浸渍法制备纯钛表面硅烷膜及其测试与表征  24-33
  2.1 引言  24
  2.2 实验方法  24-26
    2.2.1 试验仪器及药品  24-25
    2.2.2 硅烷膜的制备  25
    2.2.3 样品表征  25-26
  2.3 结果与讨论  26-32
    2.3.1 硅烷膜的表面微观形貌  26-28
    2.3.2 材料表面改性前后的电子探针分析  28-29
    2.3.3 材料表面改性前后的X射线衍射分析  29-30
    2.3.4 硅烷膜的FTIR分析  30-31
    2.3.5 硅烷膜表面亲水性分析  31-32
  2.4 结论  32-33
第三章冷凝回流法制备纯钛表面硅烷膜及其测试与表征  33-40
  3.1 引言  33
  3.2 实验方法  33-36
    3.2.1 试验仪器及药品  33-34
    3.2.2 硅烷化处理  34-35
    3.2.3 表面表征  35-36
  3.3 结果与讨论  36-39
    3.3.1 FTIR结果  36-37
    3.3.2 XPS结果  37-38
    3.3.3 接触角测试结果  38-39
    3.3.4 扫描电镜SEM结果  39
  3.4 结论  39-40
第四章 HMSCs的体外分离、扩增培养  40-46
  4.1 材料  40-42
    4.1.1 主要试剂  40-41
    4.1.2 主要实验仪器和器材  41
    4.1.3 主要试剂配制  41-42
  4.2 方法  42-44
    4.2.1 HMSCs的分离与原代培养  42-43
    4.2.2 HMSCs的体外扩增  43
    4.2.3 HMSCs的冻存  43-44
  4.3 讨论  44-45
  4.4 结论  45-46
第五章 HMSCs与钛基材料体外相互作用的研究  46-64
  5.1 材料  46-48
    5.1.1 试验材料  46
    5.1.2 主要试剂  46-47
    5.1.3 主要仪器  47
    5.1.4 主要试剂配制  47-48
  5.2 方法  48-51
    5.2.1 HMSCs与不同材料复合培养  48
    5.2.2 HMSCs在不同材料表面的形态检测  48
    5.2.3 HMSCs在不同材料上的粘附和增殖  48-49
    5.2.4 定向诱导hMSCs分化为成骨细胞及鉴定  49
      5.2.4.1 成骨诱导  49
      5.2.4.2 碱性磷酸酶(ALP)的染色  49
    5.2.5 钙结节染色  49
    5.2.6 碱性磷酸酶活性测定  49
    5.2.7 细胞骨架蛋白染色  49-50
    5.2.8 COLⅠ荧光免疫组化  50-51
  5.3 结果  51-55
    5.3.1 HMSCs在不同材料表面的形态及粘附  51
    5.3.2 HMSCs在不同材料表面的增殖  51-52
    5.3.3 碱性磷酸酶染色  52-53
    5.3.4 钙结节染色  53
    5.3.5 碱性磷酸酶活性  53-55
      5.3.5.1 细胞总蛋白含量测定  53-54
      5.3.5.2 碱性磷酸酶活性检测(ALP活性)  54-55
  5.5 细胞骨架蛋白染色  55-61
  5.6 COLⅠ荧光免疫组化  61-63
  5.7 小结  63-64
结论  64-66
参考文献  66-73
附图  73-83
攻读硕士学位期间取得的研究成果  83-84
致谢  84-85
答辩委员会对论文的评定意见  85

表面硅烷化改性纯钛及其细胞相容性研究

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