关键词：
钛
胆碱磷酸
细胞黏附
蛋白质吸附
成骨分化
摘要：
钛金属及其合金具有良好的机械性能和耐腐蚀性,被广泛应用于骨外科植入物和心血管支架。金属钛表面在自然条件下会形成稳定的氧化层,该结构使得钛金属成为生物惰性材料,表面活性不足。此外,氧化层表面的电负性使得钛金属植入体内时易吸附非特异性蛋白质,可能诱发凝血反应和血栓形成,导致植入失败。因此,有必要对钛基材料表面改性,使其具有抗污性能的同时也具有良好的生物活性。表面引发的原子转移自由基聚合(SI-ATRP)是一种通用、温和的表面改性技术,被广泛应用于生物材料的表面改性,且近年来聚合物化学的迅速发展使得在金属基板上构建多功能的聚合物刷成为可能。两性离子聚合物改性后的材料表面具有强水合作用以及空间位阻效应使其具有优异的抗污性能,然而常用的两性离子改性表面在抵抗蛋白质吸附的同时也抵抗了细胞的粘附,影响了材料表面的生物活性。胆碱磷酸(Choline Phosphate,CP)是与细胞膜表面磷酸胆碱(PC)有着相反的化学结构和电荷分布的两性离子,CP能够和细胞膜上的PC通过电荷作用形成特异性的CP-PC作用。因此,CP改性后的表面不仅具有抗污特性且能够诱导细胞的粘附。而且CP上含有磷酸根基团,可诱导骨髓干细胞往成骨分化。据我们所了解,还没有研究将胆碱磷酸(CP)基团引入到钛表面,研究其抗污、诱导细胞粘附和促进成骨分化的性能。因此,本文研究的意义在于:探究将胆碱磷酸聚合物刷(PMCP)引入钛表面后的抗污、促细胞黏附和诱导成骨分化性能。本文主要内容包括:采用两步法合成了带有双键的MCP单体,并通过核磁共振氢谱法表征MCP的结构;接着通过SI-ATRP的方法,控制MCP单体的投入量(2 mmol、4 mmol、8 mmol、10 mmol),在钛表面构建了不同含量的PMCP刷层。使用X射线光电子能谱(XPS),扫描电子显微镜(SEM)和水接触角测量的方式证明MCP接枝成功,且随着单体投入量的增加,表面接枝PMCP的量也随之增加。接下来研究了Ti-PMCP表面抗纤维蛋白原(Fg)和牛血清白蛋白(BSA)吸附以及抑制细菌黏附的能力和溶血性评价。结果表明PMCP改性后的钛表面可有效抵抗蛋白质的粘附,抑制细菌的粘附且具有良好的血液相容性。为了进一步探究Ti-PMCP表面与成骨相关细胞的作用,观察了成骨相关细胞(MC3T3-E1和BMSCs)在表面的粘附、增殖和成骨分化的能力。细胞活力测定实验表明Ti-PMCP表面可有效促进MC3T3-E1细胞的粘附和增殖。荧光染色结果显示BMSCs在Ti-PMCP表面具有良好的成骨分化形态,而且ARS染色后Ti-PMCP组出现明显的深红色钙结节。矿化实验结果表明,MCP改性后的钛表面能够促进磷灰石钙矿物的异质成核和生长,在钛表面形成矿物涂层,进一步改善了钛表面的骨诱导活性。通过q RT-PCR检测成骨相关基因Alp,Ocn,Col-I和Run×2的基因表达,结果表明Ti-PMCP组的骨诱导活性最高。综上,本研究通过SI-ATRP的方法成功地将MCP接枝到钛片表面,并实现了不同的接枝量,改善了钛表面的亲水性、抗污性能,以及成骨相关细胞在钛表面的黏附、增殖和成骨分化的性能,有效地提高了钛表面的骨诱导活性。因此,PMCP功能化钛表面的成功为增强钛表面的骨诱导性开辟了新的方法,为惰性生物材料的表面改性工作提供了新思路。
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