负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层的制备及在骨科应用基础研究

负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层的制备及在骨科应用基础研究随着经济的发展,由于车祸等意外事故造成开放性骨折、骨缺损的发病率逐年增加,加之中国社会迈向人口老龄化,骨质疏松骨折发病率不断增加,大量的骨科内、外固定材料、修复与骨替代材料得到使用。同时,内植物周围的相关感染还具有延长伤口愈合周期、破坏骨科内植物的后果,更有甚者还会因此导致肢体功能障碍或留有伤残。无菌性松动和假体周围感染是骨科内植物失败的两个主要原因,如何降低此类手术失败风险变得格外重要。在这个领域中,大量的研究工作致力于研制各种各样的内植物涂层,而这些涂层大多只具有抗感染作用而无骨整合作用;或者,只具有骨整合作用而不具备抗感染作用。但是,要使内植物长期有效,理想的涂层应兼顾骨整合和抗感染这两个功能。本课题针对人体骨组织的具体构成与微纳级结构,创新性地将三维连通网络结构(具贯通孔结构)钛涂层加载万古霉素,制作一种新型的控释抗菌型具贯通孔结构复合钛涂层,将内置物表面涂层图案化,探索其对骨整合的影响;同时,考察其抗菌性能,为获得兼顾骨整合作用和抗感染作用的多功能复合涂层提供理论和实践上的依据。第一部分:负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层的制备中国科学院上海硅酸盐研究所谢有桃课题组采用等离子喷涂技术结合金属占位填料、溶液蚀刻法成功制备出了具贯通孔图案结构钛涂层,以前的实验证实,涂层具有互相贯通的孔隙结构以后,生物相容性较之以前更加优良。我们设想在涂层孔隙结构的贯通孔内负载入CPC-VCM混合物,使万古霉素可以从磷酸钙骨水泥中缓慢释放出来从而在具有良好生物相容性的同时起到局部抗菌作用。基于这一理念,我们在具贯通孔结构表面,根据文献结论及实验选择特定载药比、固-液比的CPC-VCM混合物进行装载,制作负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层并进行体外释放研究,了解负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层的体外药物释放规律,并对该复合涂层的表面形貌和微观结构加以评价。研究表明,等离子喷涂法能够较好的将内植物表面进行图案化处理,方便制作凸起微米柱、粗糙多孔的表面微观形貌,众多贯通孔结构可以为药物装载和贮存提供充足的空间。磷酸钙-万古霉素混合物可以在短期爆发释放后逐渐达到稳定的释放速度,具有预防内植物初期感染风险和后期低毒性慢性感染风险的潜力。第二部分:负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层抗菌性能的体外研究为了进一步验证负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层的抗菌性能,通过将负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层与致病菌共培养,研究其在抑制标准细菌耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(ATCC43300,属MRSA)和金黄色葡萄球菌(ATCC25923)在早期抑制细菌粘附、后期抑制细菌生物膜形成的过程中所发挥的抗菌作用,对负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层作为预防和治疗骨科内植物周围相关感染抗菌材料表面的潜在价值进行评估。结果表明负载万古霉素具贯通孔结构钛涂层表面能够显著抑制葡萄球菌,尤其是S‘aureus及MRSA在材料涂层表面粘附、增殖及形成细菌生物膜。因此,这种新型的复合涂层材料有望用于骨科内植物手术局部预防感染及治疗由敏感菌感染引起的骨关节急慢性炎症,包括骨髓炎等慢性感染。第三部分:负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层对人骨髓间充质干细胞生物学影响的体外研究为了改进涂层的物理性能及生物活性,我们将具有生物活性的磷酸钙-万古霉素复合物载入具贯通孔结构涂层,实现抗生素的持续稳定的释放,使改性后的材料表面既能抑制细菌感染又可以具备骨整合作用。这种具有复合功能的涂层对人成骨性能的影响还不得而知。本研究通过体外实验进一步探讨负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层对人骨髓间充质干细胞(hMSCs)的生物学行为(包括粘附行为、增殖行为和向成骨细胞分化的行为)的影响。结果表明,这种装载万古霉素后的互相贯通的孔隙结构表面对于hMSCs的粘附、增殖均有促进作用,也可以促进干细胞向成骨细胞分化;同时,负载万古霉素后局部释放的抗生素在发挥预防局部感染作用的同时并没有对细胞行为产生明显负面影响。第四部分:负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层体内抗感染动物实验研究通过基于体外实验研究结果的动物体内实验研究来评估负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层的体内抗感染效果。我们计划使用耐甲氧西林金葡菌(MRSA)作为模拟急性细菌感染的菌株,在胫骨近端髓腔内植入材料的同时植入细菌,随访观察评价负载万古霉素具贯通孔图案结构钛涂层的局部抗感染效果,同时观察在感染状态下初步评价对内植物-骨界面的骨整合能力的影响。结果表明,相对于普通钛涂层负载万古霉素具贯通孔结构钛涂层能够