矿化胶原涂层作为生物涂层材料的可行性

　　20 世纪 60 年代，自从来自瑞典的生理学家Brǎnemark 教授发现钛金属与兔子胚骨的牢固结合以来，钛金属就因其良好的力学性能、生物相容性及耐腐蚀性能等优点，被广泛用于骨科及口腔外科[1].但是，钛金属本身是一种生物惰性材料，需要对其进行表面改性，使其变成活性表面才能进一步促进钛金属作为种植体的应用前景。目前，对钛金属种植体的表面改性主要有两种思路： 表面物理形貌改性和生物化学组成改性。物理形貌改性即改变其表面形貌、微观结构、粗糙度等物理性质。生物化学组成改性，即改变钛金属体的表面成分，比如在钛种植体表面引入一些微量元素、生物活性涂层（ 羟基磷灰石、氧化钛等） 和胶原蛋白等生物活性因子，提高种植体表面的生物活性[2 -3].研究表明，骨组织中的无机成分主要是羟基磷灰石，因此具有良好的生物相容性[4 -8].而胶原蛋白则是一种结晶纤维蛋白，是骨组织中最主要的有机成分。因此，将羟基磷灰石（ Hydroxyapatite,HA） 、胶原蛋白直接制备于钛种植体表面形成复合涂层，是提高钛种植体临床成功率的重要手段。
　　
　　本研究采用电化学沉积法[9 -10]在钛基板表面制备仿细胞外基质涂层 HA/胶原蛋白复合涂层，研究矿化胶原涂层作为生物涂层材料的可行性。

　　1 材料与方法

　　1. 1 实验材料

　　选用 2. 0 cm ×1. 0 cm ×0. 1 cm 的纯钛片 30 片（ 温州钛京生物科技有限公司，中国） ,用金相砂纸从 1 500 目到4 000 目将其表面磨平，再用无水乙醇和去离子水超声条件下清洗干净，去除其表面的油污。分为实验组（ 矿化胶原涂层） 、对照组（ 纯钛片）两组备用。

　　1. 2 电化学沉积法制备矿化胶原涂层

　　1. 2. 1 电解液的配置 将Ⅰ型胶原牛跟腱（ 河北考力森生物科技有限公司） 酶解在 0. 005 mol/L 的醋酸溶液（ 国药集团化学试剂有限公司） 中，得到0. 5 mg / mL 的胶原溶液； 体积比以 1 ∶ 1 ∶ 8 配置 80mmol / L Ca（ NO3）2、160 mmol/L NH4H2PO4和胶原溶液电解液。1. 2. 2 电化学沉积过程 利用 Chi604c 电化学工作站（ 上海辰华仪器有限公司） 作为沉积设备，实验组采用双电极电解沉积法，以钛基板作工作电极，纯铂片作为阳极，两电极间距固定值为 2 cm.整个电沉积过程中沉积温度利用恒温水浴 37 ℃反应容器进行控制。电压设定为 2. 6 V,沉积时间为 30 min.

　　采用控制电位电解库仑法进行电化学沉积，得到矿化胶原涂层。沉积结束后，可以观察到矿化胶原涂层会逐渐附着在钛金属基板的表面上呈现凝胶形式，先用去离子水轻轻地冲洗涂层，洗去粘附其上的钙离子等溶液中的离子，再将附有矿化胶原涂层的钛金属基板在空气中水平地放置，使其自然干燥，最终制备获得具有矿化胶原涂层表面附着的钛金属基板。

　　1. 3 生物学性能评价

　　1. 3. 1 矿化胶原涂层在模拟体液（ simulated bodyfluid,SBF）泡在含有 7 mL 模拟体液的聚乙烯塑料离心管中。

　　然后将试管置于 37 ℃ 的恒温箱中，分别震荡浸泡3、7 d,取出并用去离子水冲洗，自然风干，其中隔天更换一次 SBF 溶液至7 mL.样品置于 37 ℃的恒温箱中保存，用于扫描电镜（ SEM） （ 日立公司，日本）观察其表面矿化行为。

　　1. 3. 2 MTS 法检测细胞粘附及增殖 用来做检测的细胞采用从 ATCC 公司购买的 MC3T3 - e1 细胞，在 37 ℃、5% CO2浓度条件下，使用含 10% 胎牛血清和 1%抗生素（ 青霉素和链霉素） 的 DMEM 培养基中于细胞培养箱中培养，每隔一天更换一次培养液，待细胞长满培养瓶时，进行细胞传代待用。采用MTS 法（ Promega,Madison,WI,G358B） 测定活性细胞数量，实验将 MC3T3 - e1 培养于矿化胶原组及空白钛基板表面，24、72 h 后分析细胞粘附、增殖情况。具体步骤如下： 细胞以 2. 5 × 104个/cm2植入24 孔板，在每个孔中加入 0. 5 mL 培养液。对于培养 24 h 的样品，先将培养液吸除，再用 PBS 将样品清洗两遍，然后加入 0. 5 mL 新的培养基和 50 μLMTS 液，将培养板转移放置在 37 ℃ 的培养箱中培养4 h; 吸取120 μL 的培养液至96 孔板中，在 Model680 酶标仪 （ Bio - Rad,美国） 上测定吸光密度值（ OD 值） （ 490 nm 波长处） .对于培养 72 h 的试样，则直接在原培养液中加 50 μL MTS 液，将培养板转移放置在 37 ℃的培养箱培养 4 h,然后吸取 120 μL至 96 孔板测定其 OD 值。

　　1. 3. 3 Western - Blotting 法检测细胞分化 在放置1 cm × 1 cm 大小纯 Ti 组、矿化胶原涂层组的 24 孔板中以密度为 2. 5 × 104个/cm2植入成骨前体细胞（ MC3T3 - e1） ,每组试样均为3 块。分别培养1 周、2 周后，提取蛋白并变性，采用 SDS - 聚丙烯酸胺凝胶法跑电泳及转膜，将偏二氟乙烯（ polyvinylidene-fluoride,PVDF） 膜置于 5% 的脱脂奶粉中室温封闭 2h,一抗（ 分别为甘油醛 - 3 - 脱氢酶 GAPDH、碱性磷酸酶 ALP、胶原蛋白 COL -1） 4 ℃过夜作用，TBST摇床洗涤 4 ~5 次，加入适量二抗室温孵育 1 h 并洗涤数次，显色液显色作用后，于曝光仪（ Bio - Rad,美国） 内密闭曝光并分析数据。

　　2 结 果

　　2. 1 矿化胶原涂层在 SBF 中的行为

　　图 1 显示，通过在 SBF 中生物活性材料表面的矿化过程观察可以初步预计其在实际植入体内过程中形成羟基磷灰石骨性结合的能力。图 1 显示，SBF 溶液中浸泡 3 d 后，胶原涂层原本致密的结构出现了矿化胶原束，涂层形貌上出现了一些微孔，这是由于有一部分涂层溶解导致； 而经过 7 d 的模拟体液浸泡之后，可以看到矿化胶原涂层发生了较为明显的矿化。

　　2. 2 矿化胶原涂层对细胞粘附、增殖的影响

　　细胞培养 1 d 并用 PBS 去除未贴壁细胞后显示： 实验组 OD 值大于纯 Ti 组，两者有显着性差异，这证明了矿化胶原涂层能促进植入初期细胞的附着； 对 72 h 细胞增殖培养后比较表明： 矿化胶原组OD 值大于纯 Ti 组，两者有显着性差异，说明了矿化胶原涂层能促进细胞的增殖（ 图 2） .

　　2. 3 矿化胶原涂层对细胞分化的影响

　　本实验通过 Western - Blotting 法比较 1 周及 2周各矿化胶原涂层表面的成骨前体细胞的 ALP 及COL - 1 表达。其中培养 1 周后结果显示： 矿化胶原涂层 ALP、COL -1 表达程度均高于纯 Ti 涂层组，且结果具有显着性差异，表明矿化胶原涂层能加速成骨前体细胞的分化进程； 对 2 周后细胞分化相关因子检测表明： 矿化胶原涂层及纯 Ti 组 ALP 表达水平基本无差异，而涂层组 COL - 1 表达水平均显着高于纯 Ti 组，但却略低于一周组，涂层组已进入分化晚期，明显优于纯 Ti 组（ 图 3） .
　　
　　3 讨 论
　　
　　随着临床应用的日益广泛，如何通过对钛金属表面进行合适的改性，有利于细胞组织，尤其是成骨样细胞在其表面的附着生长，从而促进骨整合，是当前提高钛种植体临床应用效率的研究热点。因为羟基磷灰石的结构成分与天然骨组织十分类似，被包埋在含有钙盐的基质中，使骨组织表现出良好的韧性，所以将其植入体内后会与周围的生物环境发生融合作用，且其表面会重新沉积一层类骨磷灰石。

　　新生骨既可以在羟基磷灰石表面生长，也可以在周围骨组织表面生长，形成双向生长。这种双向生长可以促进植入体与骨组织间形成直接的化学键合，有利于植入体的骨结合。Wang 等[12]研究表明 TiO2生物活性层能有效促进 HA/胶原复合涂层的制备。

　　同时，在钛种植体表面制备 HA/胶原复合涂层，可以显着提高其生物活性，赋予其丰富的生物信号，增强其诱导和促进骨组织生长的功能。

　　研究表明，在体内环境中由于成骨细胞自身就能够分泌胶原蛋白，并与其他细胞协同作用，使胶原蛋白自组装形成有序的骨组织雏形。随后，羟基磷灰石等无机盐沉积上去，也就是我们所说的矿化过程，最终形成新的骨组织。由于骨组织的细胞外基质主要由胶原蛋白等有机成分和羟基磷灰石等无机成分构成，在钛种植体表面构建出羟基磷灰石/胶原蛋白（ 矿化） 复合涂层，肯定能促进骨细胞的吸附、生长以及增殖，而且还可以增加其承载生物活性因子和药物的能力[13 -16].如果在钛金属植入体表面直接引入羟基磷灰石矿化的胶原蛋白，就可以显着促进成骨细胞的生物活性表达，从而大大的提高其骨结合的效率与效果。

　　本文以能够促进骨修复及种植体骨整合为最终目的，从医用钛金属、生物活性高分子胶原蛋白、生物活性陶瓷羟基磷灰石出发，采用电化学沉积的方法在具有多孔氧化层的钛基板上沉积了胶原与羟基磷灰石的准三维矿化胶原涂层，制备了一种同时具备三类生物材料优势的生物活性涂层。这种多孔的矿化胶原涂层不仅在成分上有利于成骨细胞的生物活性表达，而且给细胞之间提供了相互连接的空间。

　　这对细胞之间相互协同作用的通道表达非常重要，也是该矿化胶原涂层表现出相对于纯钛金属显着更好的生物活性的一个重要原因。通过体外模拟环境验证基于该矿化胶原涂层的钛种植体将大大加速植入体表面矿化进程； 体外细胞实验也证实了矿化胶原涂层能显着提高钛植入体的生物活性，成骨前体细胞粘附效率得到了有效的提高并促进了细胞增殖； 同时，通过比较不同矿化涂层及纯 Ti 对于成骨前体细胞分化的促进作用，表明矿化的胶原涂层可加速细胞分化进程。在模拟液 SBF 中，矿化胶原涂层能稳定存在并发生进一步矿化，此矿化层同羟基磷灰石晶相类似，故将促进种植体表面骨整合水平，改善植入体生物活性。体外细胞实验表明矿化胶原涂层能加速成骨前体细胞的附着并促进其增殖； 同时，矿化胶原涂均能显着加速成骨前体细胞的分化，其更快地表达成骨分化初期细胞因子 ALP 及晚期指标 COL - 1 蛋白。故推测涂层组富含胶原类蛋白，可被细胞外基质所识别，加速细胞的粘附及增殖，对于涂层组更快地进入细胞初期分化进程，原因可能在于其更快地达到了细胞间相互接触的状态。

　　综上所述，矿化胶原涂层所具有的独特空间准三维结构提供了有利于细胞的初期吸附表面粗糙度，而且其相互连通的孔洞结构也有利细胞之间发挥协同的作用，有利于细胞的增殖和后续功能的表达。进一步来说，其兼具无机磷酸钙和有机胶原的活性基团，对后期诱导成骨细胞分化乃至矿化至关重要。笔者认为，矿化胶原涂层在大大提高植入体材料表面生物活性的同时，若能进一步发挥一个平台载体的作用，装载如抗菌药物或基因、生长因子等特定的药物，将会有利于其应用的更加广泛。