文摘
金属表面结构/生物医学功能集成是当前的研究热点。在先前的研究中,我们已经成功地准备包含锌在纯钛表面的微孔涂层由毛。在这项研究中,成骨细胞被播种表面的微孔涂层含有锌和成骨细胞的粘附是评估,含锌和抗菌活性的微孔涂层是通过体外观察细菌实验。结果表明,表面的成骨细胞的粘附能力微孔涂层含有锌非常好,涂料可以明显抑制的增长金黄色葡萄球菌和有很好的抗菌活性。总之,包含锌钛表面的微孔涂层具有良好的成骨和抗菌性能,具有良好的应用前景。
1。介绍
基于良好的生物相容性、力学性能和耐腐蚀性能,种钛金属已成为首选的硬组织修复和更换,已广泛应用于临床实践,取得了良好效果。但种钛金属是一种惰性物质,它的生物活性是可怜的被植入体内后,只有机械的结合可以实现骨组织,很难形成骨整合与骨组织(1]。也容易导致implant-related感染后植入(2]。此外,种钛金属在体内会腐蚀,在腐蚀和金属离子生成不仅对人类有害的,也容易导致植入物松动和下沉,不仅延长了植入修复周期也会影响移植的成功率,所以它不能完全满足临床需要3]。为了使钛金属保持其良好的机械性能,同时配备了良好的生物活性,可诱导细胞粘附和增殖植入后,具有良好的抗菌性能,最有效的方法是执行在钛金属表面改性(4]。
通过表面改性、表面制备生物活性涂层种钛金属不能仅仅维持种钛金属的优异的力学性能也给生物活性种钛金属,这是近年来的一个热点。微弧氧化(毛)是近年来发展起来的一种新兴材料表面改性。通过这项技术,多孔,粗糙的陶瓷膜可以原位产生的金属表面5]。陶瓷膜增加了耐磨性,耐腐蚀、抗疲劳强度的材料,大大提高材料的表面性质,因为陶瓷膜原位生长的基质,并密切结合底物,它不容易脱落。更有吸引力,技术可以在涂层中引入生物活性元素或抗菌元素,大大提高材料的生物活性,因此它被广泛用于生物材料的表面改性。锌是一种重要的微量元素在人体内。它是参与了300多种酶的结构和功能在体内,从而影响细胞的生物学行为。同时,锌可以激活碱性磷酸酶和促进愈伤组织钙盐的沉积,促进骨的形成和钙化,从而促进骨折愈合,更重要的是,锌已被证实具有良好的抗菌效果(6]。
在先前的研究中,我们已经成功地准备包含锌在纯钛表面的微孔涂层由毛。结果表明,涂层材料具有良好的表面性能,但进一步的研究对生物行为和抗菌性能的涂层材料是必要的。因此,本研究将探讨成骨细胞的粘附表面微孔涂层含有锌和涂层材料的抗菌活性的基础上,以前的研究和临床应用奠定理论基础的涂层材料。
2。材料和方法
2.1。制备微孔涂层含有锌在纯钛表面
样品的制备已经详细描述了在前面的文章(7]。
2.2。评价表面成骨细胞粘附和可扩展性的微孔涂层含有锌
成骨细胞接种到25厘米2细胞培养瓶2.5×104 /厘米2,5毫升αmem培养基添加到培养瓶。细胞在5%二氧化碳孵化器孵化37°C。细胞生长和融合后,通过准备和老中被丢弃,PBS冲洗后,适量添加0.25%胰蛋白酶- 0.02% EDTA的消化。通过介质中和胰蛋白酶后开始。
第三代成骨细胞培养时80%的细胞融合,适量的添加0.25%胰蛋白酶- 0.02% EDTA消化,和胰蛋白酶中和,吹成细胞悬液,准备成一定浓度的细胞悬液。然后是成骨细胞在细胞培养板培养涂锌离子microporous-coated钛的密度1×104细胞/厘米2。培养12小时后,样本固定通过戊二醛和锇,执行由酒精梯度脱水和醋酸异戊基替代。表面喷干在临界点,和细胞的粘附和扩展使用扫描电子显微镜观察。
2.3。微孔涂层含有锌的抗菌效果金黄色葡萄球菌
金黄色葡萄球菌,冻干菌株培养成固体培养基,37°C孵化器孵化24 h,和每天一次,转移到第三代。接种环是用来刮一点激活细菌的营养肉汤培养基,加入一定量的细菌浓度1×105 cfu /毫升调整应用程序。
环氧乙烷消毒微孔涂层包含锌钛(实验组)和纯钛(对照组)放置在培养皿中。1000年μL PBS的添加到培养皿和100年μL above-prepared细菌的解决方案是添加到两个上述材料的表面,然后,在恒温孵化器孵化了37°C 24小时。
80年μL细菌的解决方案来自上述两组和均匀的表面添加到营养琼脂培养基,轻轻均匀,然后放入37°C孵化器为24小时。孵化后24 h,可行的材料表面细菌菌落的数量上面的两组数。
微孔涂层包含锌材料的抗菌率是按照下列公式计算:R=(平均数量的殖民地恢复空白对照组,实验组的殖民地恢复数)/平均数量的殖民地恢复空白对照组×100%。
3所示。结果
图1显示成骨细胞培养的形态学表面微孔涂层含有锌12 h。它清楚地显示了成骨细胞eminentia微孔表面的涂料含有锌、大细胞体积。细胞在材料表面的扩散,和成骨细胞严格遵守的表面微孔涂层含有锌通过板状伪足和丝状伪足,呈现明显的周围扩展的趋势。细胞的表面是粗糙的,丰富的分泌颗粒,表明成骨细胞有良好的附着力和扩展属性的表面微孔涂层含有锌。
上述两种材料的抗菌效果金黄色葡萄球菌如图2,A和B的菌落平板计数照片纯钛表面和微孔涂层含有锌钛表面,分别。我们可以看到,在图2(一个),金黄色葡萄球菌纯钛表面(对照组)密被整个培养皿。图2 (b)显示了包含锌钛微孔涂层表面的细菌菌落,和数量金黄色葡萄球菌殖民地大大降低。殖民地的数量很少,这表明包含锌钛表面的微孔涂层可以有效地抑制的增长金黄色葡萄球菌殖民地,有良好的抗菌效果。
(一)
(b)
4所示。讨论
粘附的细胞表面的材料是一个先决条件和随后的细胞生物学行为的基础。细胞粘附在表面的质量的材料决定了随后的细胞的生物学行为,包括增殖、分化和凋亡。但材料的表面粘附的细胞是一个极其复杂的过程,整个过程是受复杂的信号网络过程的规定(8]。人们已经发现,细胞表面的粘附材料经历了一个过程,如细胞附着,扩展和焦点连接。整个过程包括许多蛋白质分子的规定,相互作用,诱导细胞信号,然后诱导转录因子。研究发现细胞表面的物理和化学性质,如表面形貌、粗糙度、化学成分、亲水性和疏水性9),表面电荷和表面自由能相互作用和相互促进;例如,对于材料适当的粗糙度,其表面亲水性和表面能很高,而且很容易吸附蛋白质在体内液体,并通过其分泌粘附受体之间的相互作用和合成与表面粘附蛋白吸附的蛋白质,细胞最终将坚持密切的表面材料。
研究表明,材料的表面粗糙度可以促进细胞粘附,和增加其机理可能是粗糙表面润湿性和表面的亲水属性的材料,从而促进细胞粘附。我们的研究结果与文献一致。吴et al。10)发现,亲水性、表面粗糙度和细胞的可行性MAO-processed材料表面细胞明显增加,有利于磷灰石的形成,改善钛合金表面生物活性,促进细胞粘附和增殖。刘等人。11)发现的粘附和增殖MAO-processed ti - 24 - nb - 4 - zr - 7.9 - sn表面成骨细胞显著增加,具有良好的生物活性和生物相容性。粘附的细胞是细胞行为和依据的基础细胞发挥生物学作用,而且它对随后的细胞增殖有重要影响,分化、矿化和细胞凋亡。在这项研究中,我们发现成骨细胞在微孔涂层附着力好含锌钛表面,表明种钛金属表面微孔涂层含有锌有一定的成骨细胞的成骨的性能。我们将进一步研究这种涂层材料扩散的影响,造骨细胞的分化、矿化,细胞凋亡在未来。在此基础上,我们将实现调控分子机制的进一步研究涂层材料对成骨细胞为临床应用奠定良好的理论基础。
研究表明,当种钛金属植入物植入,细菌和宿主细胞将竞争达到表面的细菌和宿主细胞的移植和竞争结果直接影响植入的命运(12,13]。如果细菌坚持植入物的表面,表面会迅速扩散,结果将抑制成骨细胞的黏附和增殖植入物的表面,导致感染。相反,如果造骨细胞坚持植入物的表面,细菌会从表面上坚持和增殖抑制。研究表明,抗感染能力的增加以及增加植入材料的生物活性和生物相容性,这可能是密切相关的细菌和宿主细胞之间的竞争性抑制作用。针对当前视图,我们设计实现出色的表面形态,良好的生物相容性,植入物的表面改性和生物活动,从而减少或抑制implant-related感染的发生。
作为一种无机抗菌剂、金属元素已广泛应用于临床实践,如临床应用程序使用纳米银粒子和磺胺嘧啶银(SD-Ag)用于燃烧,都取得了良好的临床疗效。锌,另一个重要的无机抗菌剂,已被证明有良好的抗菌效果,但具体机制仍然未知。相信许多因素共同行动,涉及细菌合成酶、局部微环境的细菌等。
在目前的研究中,我们发现,含锌钛微孔涂层具有良好的抗菌效果,但确切的机制尚不清楚,还有待进一步探索。现有的研究表明,微孔涂层含有锌可以产生大量的活性氧,过氧化氢,这是一种强氧化剂,可以降低杀菌活动,最终导致减少粘细菌在涂层表面。进一步的研究表明,锌离子与细菌时,锌离子牢牢地吸附在细胞膜与库仑力由于细胞膜负电荷和锌离子带正电,进一步渗透细菌的细胞壁。随后,锌离子与蛋白质的相互作用,硫醇(sh)和核酸的氨基(- nh2),导致细菌蛋白质变性,破坏细菌合成酶活性,降低环境pH值,等等。这些因素的联合作用下,最终,这将导致细菌的死亡由于失去增殖能力。我们的研究结果与文献报道一致。金等。14)准备了钛合金的表面涂料含有锌离子注入技术和体外研究表明,它具有抗菌、成骨的作用,具有良好的应用前景。Reyes-Vidal et al。15)准备由电沉积锌/银复合涂层和结果表明,该复合涂层有良好的抗菌效果。与这些制备方法相比,包含锌由毛的微孔涂层技术在这项研究强烈与底物相结合,更重要的是,锌均匀掺杂表面的涂层,达到缓释植入人体,所以它具有抗菌、成骨的作用,具有良好的应用前景。
一体化的医用金属材料的表面结构和生物功能是一个具有挑战性的和创意领域的金属植入。这也是一个研究的热点和难点金属植入材料的表面界面。使用适当的释放人类有益的元素来实现医学的生物医学功能金属材料是一种有价值的研究具有重要的临床应用价值。通过研究影响和抗菌性能的微孔涂层含有锌在成骨细胞的生物学行为,它的目标是提供一种新的思路和方法促进长期和永久biostability植入物,具有重要的理论意义和应用前景。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了江苏省自然科学基金(批准号BK20140123)。