納米TiO2的結構特徵影響骨形成能力的研究

《納米TiO2的結構特徵影響骨形成能力的研究》是依託北京航空航天大學，由王江雪擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米TiO2的結構特徵影響骨形成能力的研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：王江雪
• 項目類別：面上項目

項目摘要

納米材料在植入體表面納米化、促進周圍骨長入方面具有潛在的套用前景。然而, 納米材料是一種具有高生物活性的新型生物材料，有研究表明其粒徑、形狀、晶體結構和表面活性等物理化學性質與其生物毒理學效應密切相關。本項目以不同物理結構（不同的形狀、尺寸和晶體結構）的納米TiO2為研究對象，開展體內動物實驗,從整體動物水平研究納米TiO2物理結構特徵與影響骨組織骨形成之間的關係；體外細胞實驗研究不同結構的納米TiO2對成骨細胞的細胞毒理學效應，並且從蛋白、基因水平深入研究成骨細胞的炎性細胞因子表達及成骨功能的改變。以驗證申請人的猜想:具有不同物理結構性質的納米材料會對骨形成表現出不同程度的影響作用。研究目標在於從材料學方面深入認識納米材料與骨組織之間的相互作用，為植入體的表面設計提供新的思路，為實現植入體表面納米拓撲結構-骨組織界面的高效骨整合提供理論依據。

結題摘要

納米材料作為一種具有高生物活性的新型生物材料，顆粒的結構性能如粒徑、形狀、晶體結構等物理化學性質與植入體周圍骨組織，尤其是與骨相關的細胞功能發展密切相關。本項目以納米TiO2為研究對象，調研了多種納米TiO2，並採用不同方法對納米TiO2的尺寸、形狀、晶相、水動力學半徑等進行了表征。選擇了具有相同尺寸、不同形狀，相同形狀、不同晶相的納米TiO2材料。根據文獻中體內磨損顆粒的數量，進行了納米TiO2懸液的沉澱實驗，選取將納米TiO2懸浮在含有牛血清白蛋白（BSA）的磷酸鹽緩衝液中增加納米顆粒的分散能力。以較低濃度20 μg/ml的納米TiO2為暴露濃度，首先開展了納米TiO2材料對MC3T3-E1細胞增殖和分化的影響。結果表明20 μg/ml的納米TiO2對MC3T3-E1細胞的增殖有一定的影響。不同尺寸和形狀的納米尺度TiO2均能夠被MC3T3-E1細胞吞噬進入線粒體中，產生過量的ROS，誘導細胞的早期凋亡。納米TiO2對MC3T3-E1細胞分化早期和中期未表現出顯著影響，但是能促進細胞的成熟礦化。其次研究了納米TiO2誘導滑膜細胞RSC364凋亡的機制。結果表明不同晶型的納米TiO2在不同濃度下均會誘發細胞一定程度的凋亡和死亡，並存在濃度依賴性。納米TiO2誘導caspase-3依賴性的凋亡機制，p53和Bax/Bcl-2的mRNA基因表達升高，線粒體膜電位降低，誘導細胞凋亡。本研究為納米TiO2在骨植入體領域的套用提供了實驗支持。 此外，本項目利用自行構建的陽極氧化裝置，通過正交實驗設計以及控制變數法研究了在醫用鈦合金表面TiO2納米管合成的最佳條件，發現在影響納米管形成的因素中，氧化電壓是影響TiO2納米管的管徑和管長的最主要因素，其次為氧化時間，電解液中的含水量對TiO2納米管的形貌影響最小。氧化電壓與合成TiO2納米管的管徑、管長之間存線上性關係，得到了形貌最規整的TiO2納米管結構。採用模擬體液沉積的方式，在TiO2納米管表面均勻地沉積羥基磷灰石（HA）塗層。管徑增大，羥基磷灰石在納米管表面的沉積更加均勻。初步進行了體外成骨細胞（MC3T3-E1）相容性探索，結果表明複合HA的TiO2納米管更有利於成骨細胞的粘附和細胞生長。