银锶掺杂纳米羟基磷灰石的合成及骨修复基础研究

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当骨由于损伤或疾病而发生骨缺损后,引入骨修复材料以用于恢复骨骼完整性、填充空隙和增强骨修复能力就成为了迫切的需求。纳米羟基磷灰石(HA)的组成和结构与骨的矿物质成分相似,具有生物相容性高、骨诱导性强、比表面积大、成骨性好、生物降解性强、骨整合性好等优点,应用在骨缺损修复方面具有天然的优势。骨修复过程中可能会出现感染和炎症,在HA中掺入银和锶可以防止感染以及促进HA的矿化能力。本文采用水热法以EDTA二钠为模板合成了系列纳米HA、银掺杂纳米HA、锶掺杂纳米HA和银锶共掺杂HA。使用TEM、SEM、XRD、FT-IR和EDS表征不同HA的形貌、结构和组成。以大肠杆菌(E.Coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)作为模型,评价了不同HA的抗菌性;以巨噬细胞(RAW264.7)和成骨细胞(MC3T3-E1)作为模型,评价了不同HA对细胞活力、成骨细胞ALP的表达及矿化结节能力和巨噬细胞的炎症因子(TNF-α与IL-6)的表达的影响。本文具体的研究内容及结果主要包括以下三个方面:(1)合成了纳米HA和银掺杂纳米HA,实验结果表明:合成的材料为纳米级实心棒状,平均直径为60.1±4.8 nm,平均长度为173.7±8.5 nm。不同质量分数的银掺杂纳米HA都对E.Coli和S.aureus具有抗菌作用,且银掺杂质量分数越高,抗菌效果越好。银掺杂纳米HA对巨噬细胞和成骨细胞毒性较小,纳米HA和Ag5.0HA相对于对照组都促进了ALP的表达,表现出促成骨细胞分化的能力,HA相对于OS对照组的ALP表达量提高了449.8%,Ag5.0HA相对于OS对照组的ALP表达量提高了432.1%,Ag5.0HA的促成骨细胞分化的能力稍弱于HA。HA和Ag5.0HA都促进了矿化结节的生成,HA相对于OS对照组的矿化量提高了63.3%,Ag5.0HA相对于OS对照组的矿化量提高了58.8%。HA和Ag5.0HA都对RAW264.7细胞的细胞因子TNF-α的分泌有抑制作用,抑制率分别为18.7%和29.1%,Ag5.0HA的抑制程度更显著。HA对RAW264.7细胞的细胞因子IL-6的分泌没有影响,而Ag5.0HA明显抑制了IL-6的表达,抑制率为13.1%。(2)合成了纳米HA和锶掺杂纳米HA,实验结果表明:合成的材料为纳米级实心棒状,锶掺杂纳米HA的平均直径为38.6±2.2 nm,平均长度为135.3±27.4 nm,均低于纳米HA。锶掺杂纳米HA生物相容性好,纳米HA和Sr5.0HA相对于对照组都促进了ALP的表达,表现出促成骨细胞分化的能力,HA相对于OS对照组的ALP表达量提高了449.8%,Sr5.0HA相对于OS对照组的ALP表达量提高了630.8%。Sr5.0HA的促成骨细胞分化的能力强于HA,ALP表达量提高了181.0%,说明锶掺杂能显著提高成骨细胞成骨分化的能力。HA和Sr5.0HA具有明显的促矿化能力,HA相对于OS对照组的矿化量提高了63.3%,Sr5.0HA相对于OS对照组的矿化量提高了136.2%。而Sr5.0HA又比HA的矿化能力提高了72.9%,因此锶掺杂能提高HA的矿化能力。HA和Sr5.0HA都对RAW264.7细胞的细胞因子TNF-α的分泌产生了抑制作用,抑制率分别为18.7%和19.3%。HA对IL-6的分泌没有影响,没有显著性差异,而Sr5.0HA对IL-6的分泌有抑制作用,抑制率为11.3%。(3)合成了纳米HA和银锶共掺杂纳米HA,实验结果表明:合成的材料都是纳米级实心棒状,银锶共掺杂纳米HA的平均直径和平均长度均低于纳米HA,银锶共掺杂纳米HA的平均直径为37.0±4.8 nm,平均长度为109.1±20.0 nm。不同锶掺杂比的银锶共掺杂纳米HA都对E.Coli和S.aureus有抗菌作用,对E.Coli的抑菌圈半径在约6.6 mm到约6.9 mm之间,大于Ag5.0HA对E.Coli的抑菌圈半径;对S.aureus的抑菌圈半径在约6.2 mm到约6.5 mm之间,大于Ag5.0HA对S.aureus的抑菌圈半径。银锶共掺杂HA毒性小,纳米HA和Ag5.0Sr5.0HA相对于对照组都促进了ALP的表达,表现出促成骨细胞分化的能力,HA相对于OS对照组的ALP表达量提高了297.1%,Ag5.0Sr5.0HA相对于OS对照组的ALP表达量提高了451.1%。Ag5.0Sr5.0HA的促成骨细胞分化的能力强于HA,ALP表达量提高了154.0%,说明银锶掺共掺杂能显著提高成骨细胞成骨分化的能力。HA和Ag5.0Sr5.0HA具有明显的促矿化能力,HA相对于OS对照组的矿化量提高了63.3%,Ag5.0Sr5.0HA相对于OS对照组的矿化量提高了89.9%。而Ag5.0Sr5.0HA又比HA的矿化能力提高了26.6%,因此银锶共掺杂能提高HA的矿化能力。HA和Ag5.0Sr5.0HA都对RAW264.7细胞的细胞因子TNF-α的分泌产生了抑制作用,抑制率分别为18.7%和36.0%。HA对IL-6的分泌没有影响,没有显著性差异,而Ag5.0Sr5.0HA对IL-6的分泌有抑制作用,抑制率为10.2%。银锶共掺杂赋予了纳米HA抗菌、抗炎和促成骨分化矿化的能力。
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