关键词:
压电效应
钛酸钡
低强度脉冲超声波
成骨作用
钙离子
摘要:
目的:研发人工骨植入材料仍然是临床和实验室研究的热点。钛和钛合金因其良好的生物相容性、优良的机械特性和耐腐蚀性广泛应用于各种骨替代材料。但由于钛合金是惰性金属,不能提供有利于周围骨组织生长的生物微环境,常常导致骨植入材料的愈合时间长甚至失败。通过材料表面修饰的方法,在保持其良好的机械性能的同时,可以赋予钛合金生物活性,提高宿主组织的生物学反应。骨组织的再生和重塑过程需要多种生理信号,包括生化、电和机械共同作用以确保功能恢复。人体骨骼是一种“压电材料”,在受到机械力作用时,其产生的微电环境能够促进骨形成和骨重塑。压电材料可以模拟骨的压电性质,承受载荷时,不需要外部电源就能向细胞或受损组织提供电刺激。钛酸钡(barium titanate,BT)压电陶瓷是一种生物相容性和压电性能良好的压电材料。本研究拟在Ti6Al4V(titanium-6aluminum-4vanadium,TC4)表面原位合成BT压电陶瓷涂层,形成BT/TC4复合材料,将TC4材料的机械性能和BT压电陶瓷的压电性能结合起来。同时,低强度脉冲超声波(low-intensity pulsed ultrasound,LIPUS)是一种近年来比较受认可的促进骨愈合修复的物理刺激方法,其本身是一种机械波,可以利用LIPUS的机械性能,实现动态机械力学加载,拟激发BT/TC4材料的电信号,模拟骨的电生理过程。本研究拟通过水热合成法将BT压电陶瓷涂层制备于TC4表面,制备BT/TC4复合材料,首先评价材料的表面形貌、电学性能和生物相容性。再将LIPUS作用于BT/TC4复合材料,研究材料表面小鼠前成骨细胞(mouse embryo osteoblast precursor cells,MC3T3-E1)的生物学反应,并初步揭示其反应机制,为“压电材料结合超声”这一治疗方法的临床应用提供基础数据。研究方法:第一部分:水热合成法在TC4基底材料表面制作BT压电陶瓷涂层(BT/TC4材料);通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和能量弥散X射线谱(energy-dispersive X-ray spectroscopy,EDS)对BT/TC4材料形貌和元素的检测,评价水热合成法制备BT压电陶瓷涂层的效果;通过X线衍射技术(X-ray crystallography,XRD)分析BT/TC4材料晶体相结构;介电测试仪测量BT/TC4材料的介电常数,电化学工作站测量TC4和BT/TC4两种材料在有无超声波(频率:1MHz;强度:30m W/cm2)作用时的电流值,评价BT/TC4材料的电学性能。通过细胞增殖检测试剂盒(cell counting kit-8,CCK-8)检测MC3T3-E1细胞在两种材料表面的增殖,评估BT/TC4材料的生物相容性。第二部分:将MC3T3-E1细胞在材料表面复合培养,随机分为超声BT/TC4组、超声TC4组、对照BT/TC4组和对照TC4组四组。通过实时荧光定量PCR(Real-time quantitative PCR,qPCR)检测各组相关成骨指标基因碱性磷酸酶(alkaline phosphatese,ALP)、骨钙素(osteocalcin,OCN)和Runt相关转录因子2(runt-related transcription factor 2,Runx-2)mRNA的相对表达量,通过蛋白免疫印迹技术(western blot,WB)检测各组成骨指标ALP、Runx-2和Ⅰ型胶原(type I collagen,Col1)蛋白表达水平,探究LIPUS作用于BT/TC4材料对表面MC3T3-E1细胞成骨作用的影响;通过液相层析串联质谱(Liquid Chromatograph-mass Spectrometer,LC-Mass)非靶向代谢组学方法筛选差异代谢物,探究LIPUS作用于BT/TC4材料对表面MC3T3-E1细胞代谢物表达的影响;通过生物信息学分析对差异表达的代谢物进行KEGG Pathway功能富集分析。第三部分:将MC3T3-E1细胞在材料表面复合培养,随机分为超声BT/TC4组、超声TC4组、对照BT/TC4组和对照TC4组。通过钙离子成像技术检测7d时各组MC3T3-E1细胞内钙离子浓度,比较四组MC3T3-E1细胞内钙离子浓度的变化;将上述每一组再分别随机分为空白组、L型钙离子通道阻滞组(维拉帕米组)和钙库阻滞组(SKF-96365组),1d时通过钙离子成像技术观察在有无阻滞剂添加后,四组MC3T3-E1细胞内钙离子浓度的差异性是否消失;通过WB检测7d时各组MC3T3-E1细胞的Ca V1.2蛋白的表达水平,通过qPCR检测MC3T3-E1细胞内Ca V1.2mRNA的相对表达