醫(yī)用鈦合金(Ti6Al4V)表面石墨烯涂層的制備及生物化研究.pdf

1、背景：可控的熱機(jī)械加工技術(shù)使得鈦合金擁有諸多優(yōu)良的機(jī)械性能如較低的彈性模量、抗腐蝕性、較高屈服強(qiáng)度等，被廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科如人工骨、人工關(guān)節(jié)、接骨板、螺釘、牙種植體等硬組織的替代材料。目前，使用最多的鈦基金屬植入物材料是α-β鈦合金Ti6Al4V，約占所有鈦合金制品的80％。鈦合金（Ti6Al4V）的彈性模量（110 GPa）比骨的彈性模量（10-30 GPa）高。但是，作為一種能植入人體的生物醫(yī)學(xué)材料，首先要考慮的是抗腐蝕性，其次

2、才是機(jī)械性能。鈦合金極易被氧化，表面會(huì)形成一層致密堅(jiān)固的TiO2薄膜，這種特性使得鈦合金基底具備了較好的抗腐蝕性，也讓鈦合金作為人體內(nèi)植入物具有一定的優(yōu)勢(shì)。
　　植入成敗與否的關(guān)鍵因素除了植入材料自身機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，還包括材料的表面特性，如生物相容性和抗腐蝕性等。這些表面特性能間接影響應(yīng)力遮擋、磨損碎片或疲勞損傷等機(jī)械性能。尤其對(duì)于用于人體的植入物來說，表面的生物相容性和生物活性起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)楸砻娌攀侵踩胛锱c生物體

3、直接接觸的部分。表面工程的目的不僅僅是避免植入材料對(duì)周圍組織造成負(fù)面影響，更重要的是增強(qiáng)內(nèi)植物與生物體之間的相互作用。活體組織有不斷自我恢復(fù)和更新的能力，植入材料通常缺乏這個(gè)能力。最好的情況是，植入材料的物理和化學(xué)特性與植入部位或被取代組織的特性一致。植入物材料和機(jī)體組織的界面反應(yīng)常常決定著植入成功與否。鈦合金形成的這層具有著生物惰性的TiO2薄膜會(huì)形成纖維包裹阻礙植入物與機(jī)體組織的直接結(jié)合。植入骨組織后會(huì)造成早期骨形成效果差，遠(yuǎn)期骨整

4、合不理想。解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于保留植入材料機(jī)械性能的同時(shí)又能讓植入物的表面有類似基質(zhì)的功能充分誘導(dǎo)骨組織再生，使得植入物與骨組織之間形成牢固的骨結(jié)合。因?yàn)檫@個(gè)原因，近年來通過表面修飾來提高內(nèi)植物表面的生物活性，進(jìn)而促進(jìn)骨整合成為生物材料工程研究的熱點(diǎn)。其中最直接有效的方法是利用表面涂層技術(shù)在內(nèi)植物表面加載生物活性物質(zhì)或藥物，達(dá)到改善表面生物活性和生物相容性的目的。如通過特殊的金屬表面涂層技術(shù)，將具有骨誘導(dǎo)活性的材料附著到鈦合金的表面。

5、經(jīng)過表面改性的鈦合金植入體內(nèi)后，可增強(qiáng)成骨細(xì)胞功能，從而加速植入物周圍骨組織再生及骨形成，進(jìn)一步提高植入物-骨界面的結(jié)合強(qiáng)度，促進(jìn)鈦合金植入物與骨組織的整合程度。
　　石墨烯是2004年由英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆團(tuán)隊(duì)采用簡單的機(jī)械剝離的方法從石墨中分離出來并能穩(wěn)定存在的物質(zhì)。作為碳元素的同素異形體，石墨烯是以 SP2雜化軌道連接而成的一種單原子層厚的二維原子晶體，以長為0.142nm的碳-碳鍵共價(jià)結(jié)合。石墨烯是具有不同幾何形

6、狀石墨材料的基本組成單位，包裹成球形結(jié)構(gòu)會(huì)形成零維的富勒烯；卷成桶狀結(jié)構(gòu)就形成了一維的碳納米管（CNTs）；疊加成為板層狀結(jié)構(gòu)就形成了三維的石墨。石墨烯擁有眾多獨(dú)特的物理化學(xué)特性，包括高電子傳導(dǎo)能力（室溫下為：15,000cm-1/V?s），優(yōu)良的導(dǎo)熱性（5000W/m?K），高比表面積（2630mZ/g）和優(yōu)秀的力學(xué)特性（彈性模量為：1TPa），是已知材料中強(qiáng)度最大的物質(zhì)（130GPa）等。這些特性使石墨烯成為各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家們探索新

7、型電子和復(fù)合材料道路上的一種“明星材料”，被廣泛應(yīng)用于包括量子物理，單分子氣體檢測(cè)，透明導(dǎo)電電極，納米工程復(fù)合材料和儲(chǔ)能裝置如超級(jí)電容器和鋰離子電池等領(lǐng)域。自2008年來,石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和組織工程方面的研究日益廣泛。有大量的研究表明，石墨烯及其衍生物能賦予植入物和生物支架誘導(dǎo)BMSCs粘附、增殖和分化的能力。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中石墨烯也有廣泛的應(yīng)用前景，如癌癥治療、微生物檢測(cè)、疾病診斷、藥物/基因載體、抗菌材料、生物傳感器、生物成像等。因

8、此，石墨烯可以作為一種生物相容性好的涂層材料應(yīng)用于表面工程及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
　　本研究中，我們通過制備Ti6Al4V表面的石墨烯涂層，利用體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，觀察并分析石墨烯對(duì)鈦合金Ti6Al4V表面活性和生物相容性的影響。探索石墨烯作為一種新型納米涂層材料，增強(qiáng)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的粘附、增殖和成骨分化，促進(jìn)植入物-骨界面的新骨形成和骨整合的可行性。
　　目的：
　　1、制備石墨烯表面涂層，并對(duì)石墨烯涂層和無涂層的兩組

9、Ti6Al4V支架進(jìn)行表征分析。
　　2、利用體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，研究石墨烯涂層和無涂層的兩組鈦合金Ti6Al4V支架對(duì)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞粘附、增殖和成骨分化的影響，明確石墨烯涂層對(duì)鈦合金支架的生物活性的作用。
　　3、建立新西蘭大白兔股骨髁部骨缺損模型，利用體內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)兩組鈦合金支架植入兔子體內(nèi)后對(duì)骨形成和骨整合的效果，明確石墨烯涂層對(duì)鈦合金支架生物相容性的作用。
　　方法：
　　1、利用膜轉(zhuǎn)移法，將銅基底上石墨烯導(dǎo)電膜

10、（石墨烯覆蓋率為100%）通過化學(xué)蝕刻、物理吸附等方法轉(zhuǎn)移至鈦合金Ti6Al4V的表面制備石墨烯涂層。選用鈦合金的規(guī)格為：Ti6Al4V片（Φ=10mm，δ=5mm）用于體外實(shí)驗(yàn)。Ti6Al4V棒（Φ=5mm，L=10mm）用于體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。利用掃描電鏡（SEM）觀察表面形態(tài)的改變；拉曼光譜儀驗(yàn)證是否有石墨烯特征性波峰的存在；光學(xué)接觸角測(cè)量儀、光學(xué)輪廓儀檢測(cè)支架表面親水性和粗糙度的改變；利用機(jī)械力學(xué)壓縮試驗(yàn)檢測(cè)石墨烯涂層對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影

11、響；利用超聲震蕩檢測(cè)涂層與基底的結(jié)合強(qiáng)度。
　　2、體外實(shí)驗(yàn)：選用SD大鼠的骨髓基質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs），采用全骨髓貼壁培養(yǎng)法進(jìn)行細(xì)胞的分離及培養(yǎng)并分別接種于兩組支架上（G-Ti6Al4V和Ti6Al4V）。接種1、3、5、7天利用細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒（cell counting kit-8，CCK-8）評(píng)價(jià)細(xì)胞增殖；SEM觀察兩種支架上的細(xì)胞形態(tài)和生長狀態(tài)；接種1、3、5天后進(jìn)行免疫熒光染色并利用激光共聚焦顯微鏡（CLSM）觀察并分析

12、兩組支架上細(xì)胞粘附的情況；接種1、3、5、7天后利用活死細(xì)胞試劑盒評(píng)估兩種支架對(duì)細(xì)胞活性的影響；成骨誘導(dǎo)21天后，進(jìn)行茜素紅-S染色，定量分析礦化鈣結(jié)節(jié)；成骨誘導(dǎo)7、14天利用ALP活性測(cè)定試劑盒定量分析兩組支架上 ALP的活性，并利用實(shí)時(shí)定量 RT-PCR和Western Blot檢測(cè)相關(guān)成骨基因的表達(dá)。
　　3、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)：選用新西蘭大白兔并建立股骨髁部缺損的動(dòng)物模型，分別植入兩種支架（G-Ti6Al4V和Ti6Al4V）。選用

13、4、12、24周作為觀察時(shí)間點(diǎn)，利用Micro-CT，骨組織四環(huán)素-鈣黃綠素?zé)晒怆p標(biāo)、Van-Gieson染色評(píng)價(jià)兩組支架對(duì)于骨再生及整合的效果。
　　結(jié)果：
　　1.SEM及拉曼光譜結(jié)果顯示鈦合金Ti6Al4V表面的石墨烯涂層制備成功，涂層穩(wěn)定；接觸角測(cè)定結(jié)果表明G-Ti6Al4V組的親水性明顯提高（P＜0.05）；表面粗糙度結(jié)果顯示G-Ti6Al4V組的表面粗糙度明顯增高（P＜0.05）；壓縮試驗(yàn)結(jié)果反映石墨烯涂層對(duì)鈦合

14、金Ti6Al4V整體的力學(xué)性能無明顯影響（P＞0.05）。
　　2.體外實(shí)驗(yàn)中，細(xì)胞計(jì)數(shù)CCK-8結(jié)果顯示：與Ti6Al4V支架比較，G-Ti6Al4V支架在細(xì)胞接種1、3、5、7天時(shí)促進(jìn)BMSCs增殖能力更強(qiáng)（P＜0.05）；SEM觀察結(jié)果顯示：在細(xì)胞接種1、5天時(shí)，G-Ti6Al4V支架上的細(xì)胞形態(tài)更好，細(xì)胞伸展程度更好而且細(xì)胞數(shù)目和絲狀偽足也更多；CLSM結(jié)果顯示：在細(xì)胞接種1、3、5天時(shí)G-Ti6Al4V支架上的細(xì)胞粘附斑

15、蛋白（vinculin）較之Ti6Al4V組表達(dá)更強(qiáng)，平均積分熒光強(qiáng)度(IOD)更高（P＜0.05）；活死細(xì)胞染色結(jié)果表明：在細(xì)胞接種并培養(yǎng)至1、3、5、7天后，兩組支架上的活、死細(xì)胞數(shù)都隨時(shí)間延長而增多，但在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)G-Ti6Al4V組活細(xì)胞更多（P＜0.05）；茜素紅-S染色及定量結(jié)果顯示：接種在G-Ti6Al4V支架上的BMSCs經(jīng)過21天的誘導(dǎo)成骨后，鈣結(jié)節(jié)生成量明顯高于Ti6Al4V組（P＜0.05）；ALP活性定量檢測(cè)結(jié)果

16、表明：在成骨誘導(dǎo)7、14天時(shí)，G-Ti6Al4V組ALP染色更深，通過ALP定量試劑盒測(cè)出的OD值更高（P＜0.05）；實(shí)時(shí)定量RT-PCR結(jié)果顯示：與Ti6Al4V組相比，G-Ti6Al4V組Runx2、ALP、Col-1、BMP-2的表達(dá)量在成骨誘導(dǎo)7、14天明顯增高（P＜0.05）。OCN的表達(dá)量在誘導(dǎo)第7天時(shí)兩組比較沒有明顯差異（P＞0.05），但在第14天時(shí)G-Ti6Al4V組的表達(dá)量明顯增高（P＜0.05）。Western

17、Blot表現(xiàn)出與RT-PCR相類似的結(jié)果。
　　3.體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，生物力學(xué)（推出試驗(yàn)）檢測(cè)的結(jié)果顯示：在4、12、24周，G-Ti6Al4V組和Ti6Al4V組最大失效載荷（最大推出力）都隨植入時(shí)間的延長而增加，但在每個(gè)時(shí)間點(diǎn) G-Ti6Al4V組所需要的最大失效載荷即最大推出力明顯高于 Ti6Al4V組（P＜0.05）；Micro-CT結(jié)果顯示，在4、12、24周，G-Ti6Al4V組的BV/TV、TbTh和TbN均明顯高于Ti6

18、Al4V組（P＜0.05）；4周時(shí)，兩組的BS/BV結(jié)果無差異（P＞0.05），而在12周和24周時(shí)Ti6Al4V組的BS/BV則明顯高于G-Ti6Al4V組（P＜0.05）。在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，Ti6Al4V組的TbSp均高于G-Ti6Al4V組（P＜0.05）；骨組織四環(huán)素和鈣黃綠素?zé)晒怆p標(biāo)結(jié)果顯示：G-Ti6Al4V組的骨礦化沉積率（MAR）更高（P＜0.05）；VG組織學(xué)染色結(jié)果顯示與Micro-CT結(jié)果類似的趨勢(shì)，隨著植入時(shí)間的延長

19、，兩組的新生骨量都在增加，但是每個(gè)時(shí)間點(diǎn)G-Ti6Al4V組的新生骨量和新生骨的密度明顯多于Ti6Al4V組，尤其在第24周G-Ti6Al4V組中，骨與植入物之間基本無空隙和纖維組織，骨整合效果更佳。
　　結(jié)論：
　　1、鈦合金Ti6Al4V表面的石墨烯涂層制備成功，石墨烯涂層與鈦合金基底穩(wěn)定結(jié)合。石墨烯涂層增加了Ti6Al4V支架表面的親水性和表面粗糙度但沒有改變其力學(xué)性能。
　　2、體外細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)表明Ti6Al4V