医用钛材表面顺序接枝聚乙二醇及REDV的生物相容性研究
目 录
1 绪论 1
1.1 问题的提出 1
1.2 生物材料的定义 1
1.3 医用钛材料的优点 1
1.4 医用钛材的性能及应用 2
1.5 聚乙二醇和REDV 2
1.6 钛材表面改性技术方法 3
1.7 表面生物化改性法 3
1.8 本课题的研究目的和意义 5
1.9 本课题的技术路线和主要研究内容 5
2 实验 7
2.1 材料 7
2.2 试剂及仪器 7
2.3 钛合金样品的准备 8
2.4 钛合金样品的清洗 8
2.5 钛合金样品表面改性 9
2.6 钛合金表面材料学性能表征 10
3 实验结果与分析 12
3.2 表面接触角分析 13
3.3 血小板粘附性能分析 14
3.4 内皮细胞粘附附实验分析 15
结 论 16
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 问题的提出
生物材料现在已经成为了植入人体中用来代替人体组织的一种新型材料，它在组织、器官以及增强其功能或医学诊断和治疗中有重要应用。钛及其合金生物材料在生物医学领域得到了非常成功应用，如心血管医疗器械方面的应用和硬组织的替代等等，它有非常广泛的应用前景。但是钛及其合金在人体坏境中容易引起血栓等问题还未得到解决。因此近年来通过对钛合金进行表面改性，提高血液相容性以及增强特异性促内皮细胞生长的能力成为一个研究热点。
1.2 生物材料的定义
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生物材料定义是在1987年10月提出的，并由国际标准化组织（ISO）定义的。生物材料指是在一般情况下，以医学治疗为目的，一种用于接触活体组织并且能实现某种功能的无生命材料，包括具有良好的生物相容性材料、生物和非生物降解性材料和三大类[1]。
生物医用材料要求具有很好的生物相容性，植入物在人体中是非常敏感的，因此，植入人体中的各种材料除了需要达到良好的治疗和修复目的，还一定要对人体绝对的安全，不可以发生一些不利的影响，能符合“医用级”标准。
在生物医用材料中，医用金属材料又显得尤为重要，医用金属材料又成为外壳医用材料，是一类惰性材料。而由于其良好的各种性能以前生物相容性。它是目前临床应用最为广泛的植入材料，而且金属材料的应用也非常广泛设计各个领域，如人工器官、硬组织、软组织和外科辅助器材等各个方面。也是目前研究生物医用材料的一大热点。
1.3 医用钛材料的优点
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因为拥有良好的强度韧性，耐蚀性特点而被广泛用于各个领域。由于钛及其合金的优点，世界上很多国家都认识到了钛合金的重要性，都开始进行对钛合金的研究，而且得到了很多实际上的应用。
纯钛由于优异的生物相容性而出名。在生物医用金属材料中，钛合金凭借着非常完美的综合性能，使其成为了人工关节(踝、肩、髋、肘、膝、腕、指关节等)、脊柱矫形内固定系统、骨创伤产品(螺钉、钢板、髓内钉等)、牙矫形丝体、牙托、牙种植、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料。
而钛合金拥有很好的力学性能和生物相容性等综合性能。在钛合金表面可以形成一层钝化膜，一直在空气中会使其氧化，形成氧化膜进而保护钛合金。因此,在不对氧化膜产生破坏作用的介质中,钛拥有比较好的抗腐烛性能。这是优于其它金属材料的一大特点。钛合金材料和其他的医用金属材料相比而言，由于其具备与天然组织相互适应的物理性能，化学性质稳定,良好的生物相容性, 不会发生例如细胞因某些原因而发生突变和组织因为某些原因反应致畸,不会导致致癌症,例如发热、过敏、急性中毒、凝血和溶血等也不会在植入人体后发生，钛合金不同的特定功能可以满足不同的使用目的如形状记忆、耐腐蚀、降解等，加工成型性非常的优越，消毒比较方便且极其耐高温催化，所需材料非常易得等优点[2，3]。目前钛合金材料已经成为了最具发展潜力的生物材料之一。
1.4 医用钛材的性能及应用
钛基生物材料既发挥了优异的力学性能,同时又具有极好的生物活性，尤其在钛泡沫记忆合金、牙根及义齿金属支架、齿科植入体、骨关节、大块骨缺损、用作人工膝关节等方面的应用十分广泛。
钛合金材料其实经过研究发现，它是一种生物惰性材料，如果钛合金材料植入人体中，那么它其实是会被一层包囊纤维膜所包绕，这样就会使得钛及其合金与组织形成牢固的结合是非常困难的，并且人体对钛材的最初反应很大程度上依赖于钛材的表面性质[4]，因此，作为医用生物材料的钛，其生物相容性的优劣是研究设计中首要考虑的问题。这就有必要控制和改善钛基材料的表面性质，而表面改性技术恰恰能提高钛基生物材料的生物相容性[5]。
1.5 聚乙二醇和REDV
聚乙二醇(PEG)具有非常良好的生物相容性和亲水性，并且其本身是无毒中性的，由于其良好的性能被广泛用于医学，生物 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
等领域。
REDV是纤连蛋白 IIICS位点的四肽，可特异性结合整合素 α4β1。可以使得经REDV修饰的支架具有特异性地促进ECs/EPCs黏附与生长的能力。此外，REDV 亦能抑制血小板的黏附[6]。前人的研究已证实，ECs 可吸附于经 REDV 改性的支架表面，并在其上扩展。即使将经过 REDV 表面修饰过的支架暴露于血小板中，其表面形成的 ECs 单层依然呈现非血栓形成（nonthrombogenicity）的特性[7,8]。
所以采用在钛材表面顺序接枝聚乙二醇及REDV的方法，不仅能够增加材料表面的亲水性，还能够抑制血小板粘，而REDV能够弥补聚乙二醇接枝改性后表面的内皮细胞生长性能较差的问题。二者的共同作用使得钛合金的生物相容性得到了很大的提高。
1.6 钛材表面改性技术方法
在现代的生物医学中，改善植入人体金属材料的生物相容性等性能有很多方法，而表面改性方法是现阶段最主要的改性方法。在现阶段的临床医学上面，钛及其合金应该在所有金属材料中最为理想的。因此，金属植入材料的表面改性研究主要集中在钛及钛合金材料。表1-1列举了一些主要的钛表面改性方法[9]。
表1-1 常用的表面改性技术及其应用
表面改性方法 特点 举例 功能
溶胶—凝胶法 制备温度低，方法简单 钛合金表面制备HA和TiO2薄膜 获得生物活性表面和提高生物相容性
自组装单层膜法 制备温度低，适合各种形状的基体，且薄膜和基体的结合力好 TiO2薄膜 提高生物活性
水热合成和电化学沉淀法 制备温度低，涂层和基体的结合力好 Ti-6Al-4V合金表面制备HA涂层 获得生物活性涂层
磨抛机 MP-2 莱州市蔚仪试验器械制造有限公司
数字可调式移液器 10-1000微升 20-200微升 0.5-10微升 ?上海荣泰生化工程有限公司
图2-2 PEG的化学结构
结 论
本课题以钛合金TA2为基材，通过表面等离子气体活化，通过APTMS形成氨基，再进一步接枝聚乙二醇、最后经过亲和素和EDC/NHS反应，在PEG基础上继续接枝REDV来改善生物相容性。通过借助ATR-FTIR和水接触角测试对改性前后的材料表面性能和成分进行分析；通过血小板的粘附实验和细胞实验来对改性前后材料表面的生物相容性进行研究。得到以下结论：
1 绪论 1
1.1 问题的提出 1
1.2 生物材料的定义 1
1.3 医用钛材料的优点 1
1.4 医用钛材的性能及应用 2
1.5 聚乙二醇和REDV 2
1.6 钛材表面改性技术方法 3
1.7 表面生物化改性法 3
1.8 本课题的研究目的和意义 5
1.9 本课题的技术路线和主要研究内容 5
2 实验 7
2.1 材料 7
2.2 试剂及仪器 7
2.3 钛合金样品的准备 8
2.4 钛合金样品的清洗 8
2.5 钛合金样品表面改性 9
2.6 钛合金表面材料学性能表征 10
3 实验结果与分析 12
3.2 表面接触角分析 13
3.3 血小板粘附性能分析 14
3.4 内皮细胞粘附附实验分析 15
结 论 16
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 问题的提出
生物材料现在已经成为了植入人体中用来代替人体组织的一种新型材料，它在组织、器官以及增强其功能或医学诊断和治疗中有重要应用。钛及其合金生物材料在生物医学领域得到了非常成功应用，如心血管医疗器械方面的应用和硬组织的替代等等，它有非常广泛的应用前景。但是钛及其合金在人体坏境中容易引起血栓等问题还未得到解决。因此近年来通过对钛合金进行表面改性，提高血液相容性以及增强特异性促内皮细胞生长的能力成为一个研究热点。
1.2 生物材料的定义
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
生物材料定义是在1987年10月提出的，并由国际标准化组织（ISO）定义的。生物材料指是在一般情况下，以医学治疗为目的，一种用于接触活体组织并且能实现某种功能的无生命材料，包括具有良好的生物相容性材料、生物和非生物降解性材料和三大类[1]。
生物医用材料要求具有很好的生物相容性，植入物在人体中是非常敏感的，因此，植入人体中的各种材料除了需要达到良好的治疗和修复目的，还一定要对人体绝对的安全，不可以发生一些不利的影响，能符合“医用级”标准。
在生物医用材料中，医用金属材料又显得尤为重要，医用金属材料又成为外壳医用材料，是一类惰性材料。而由于其良好的各种性能以前生物相容性。它是目前临床应用最为广泛的植入材料，而且金属材料的应用也非常广泛设计各个领域，如人工器官、硬组织、软组织和外科辅助器材等各个方面。也是目前研究生物医用材料的一大热点。
1.3 医用钛材料的优点
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因为拥有良好的强度韧性，耐蚀性特点而被广泛用于各个领域。由于钛及其合金的优点，世界上很多国家都认识到了钛合金的重要性，都开始进行对钛合金的研究，而且得到了很多实际上的应用。
纯钛由于优异的生物相容性而出名。在生物医用金属材料中，钛合金凭借着非常完美的综合性能，使其成为了人工关节(踝、肩、髋、肘、膝、腕、指关节等)、脊柱矫形内固定系统、骨创伤产品(螺钉、钢板、髓内钉等)、牙矫形丝体、牙托、牙种植、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料。
而钛合金拥有很好的力学性能和生物相容性等综合性能。在钛合金表面可以形成一层钝化膜，一直在空气中会使其氧化，形成氧化膜进而保护钛合金。因此,在不对氧化膜产生破坏作用的介质中,钛拥有比较好的抗腐烛性能。这是优于其它金属材料的一大特点。钛合金材料和其他的医用金属材料相比而言，由于其具备与天然组织相互适应的物理性能，化学性质稳定,良好的生物相容性, 不会发生例如细胞因某些原因而发生突变和组织因为某些原因反应致畸,不会导致致癌症,例如发热、过敏、急性中毒、凝血和溶血等也不会在植入人体后发生，钛合金不同的特定功能可以满足不同的使用目的如形状记忆、耐腐蚀、降解等，加工成型性非常的优越，消毒比较方便且极其耐高温催化，所需材料非常易得等优点[2，3]。目前钛合金材料已经成为了最具发展潜力的生物材料之一。
1.4 医用钛材的性能及应用
钛基生物材料既发挥了优异的力学性能,同时又具有极好的生物活性，尤其在钛泡沫记忆合金、牙根及义齿金属支架、齿科植入体、骨关节、大块骨缺损、用作人工膝关节等方面的应用十分广泛。
钛合金材料其实经过研究发现，它是一种生物惰性材料，如果钛合金材料植入人体中，那么它其实是会被一层包囊纤维膜所包绕，这样就会使得钛及其合金与组织形成牢固的结合是非常困难的，并且人体对钛材的最初反应很大程度上依赖于钛材的表面性质[4]，因此，作为医用生物材料的钛，其生物相容性的优劣是研究设计中首要考虑的问题。这就有必要控制和改善钛基材料的表面性质，而表面改性技术恰恰能提高钛基生物材料的生物相容性[5]。
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REDV是纤连蛋白 IIICS位点的四肽，可特异性结合整合素 α4β1。可以使得经REDV修饰的支架具有特异性地促进ECs/EPCs黏附与生长的能力。此外，REDV 亦能抑制血小板的黏附[6]。前人的研究已证实，ECs 可吸附于经 REDV 改性的支架表面，并在其上扩展。即使将经过 REDV 表面修饰过的支架暴露于血小板中，其表面形成的 ECs 单层依然呈现非血栓形成（nonthrombogenicity）的特性[7,8]。
所以采用在钛材表面顺序接枝聚乙二醇及REDV的方法，不仅能够增加材料表面的亲水性，还能够抑制血小板粘，而REDV能够弥补聚乙二醇接枝改性后表面的内皮细胞生长性能较差的问题。二者的共同作用使得钛合金的生物相容性得到了很大的提高。
1.6 钛材表面改性技术方法
在现代的生物医学中，改善植入人体金属材料的生物相容性等性能有很多方法，而表面改性方法是现阶段最主要的改性方法。在现阶段的临床医学上面，钛及其合金应该在所有金属材料中最为理想的。因此，金属植入材料的表面改性研究主要集中在钛及钛合金材料。表1-1列举了一些主要的钛表面改性方法[9]。
表1-1 常用的表面改性技术及其应用
表面改性方法 特点 举例 功能
溶胶—凝胶法 制备温度低，方法简单 钛合金表面制备HA和TiO2薄膜 获得生物活性表面和提高生物相容性
自组装单层膜法 制备温度低，适合各种形状的基体，且薄膜和基体的结合力好 TiO2薄膜 提高生物活性
水热合成和电化学沉淀法 制备温度低，涂层和基体的结合力好 Ti-6Al-4V合金表面制备HA涂层 获得生物活性涂层
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图2-2 PEG的化学结构
结 论
本课题以钛合金TA2为基材，通过表面等离子气体活化，通过APTMS形成氨基，再进一步接枝聚乙二醇、最后经过亲和素和EDC/NHS反应，在PEG基础上继续接枝REDV来改善生物相容性。通过借助ATR-FTIR和水接触角测试对改性前后的材料表面性能和成分进行分析；通过血小板的粘附实验和细胞实验来对改性前后材料表面的生物相容性进行研究。得到以下结论：
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