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골 결합 개선을 위한 티타늄의 구리 도핑 미세 다공성 코팅에 대한 조골 세포 반응

초록

티타늄 합금은 우수한 기계적 특성과 우수한 생체 적합성으로 인해 의료용 금속 임플란트 분야에서 인기 있는 연구 주제가 되었습니다. 그러나 티타늄 합금의 표면은 생물학적 활성을 나타내지 않아 티타늄 임플란트의 계면과 뼈 조직의 계면 사이의 결합이 잘 되지 않아 임플란트가 떨어질 수 있습니다. 따라서 표면의 생물학적 불활성은 티타늄 합금이 이상적인 정형 임플란트 재료가 되기 위해 극복해야 할 문제 중 하나이다. 표면 개질은 티타늄의 생물학적 특성을 향상시켜 골유착 효과를 향상시킬 수 있습니다. 구리는 인체에 ​​필수적인 미량 원소로 뼈 형성을 촉진하고 뼈와 뼈의 성장 및 발달의 생리적 구조와 기능을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 본 연구에서는 마이크로아크 산화에 의해 티타늄 표면에 미세다공성 구리-이산화티타늄 코팅을 제조하였다. 표면 특성 평가를 통해 MC3T3-E1 세포의 부착, 증식 및 분화를 관찰하였다. 토끼 대퇴과에 티타늄 막대를 이식하고 코팅과 뼈 조직의 통합을 평가했습니다. 우리의 연구 결과는 미세 다공성 구리-이산화티타늄 코팅이 거의 3차원 다공성 구조를 가지며 코팅의 구조를 변경하지 않고 구리가 코팅에 통합된다는 것을 보여줍니다. 시험관 내 실험은 코팅이 MC3T3-E1 세포의 접착, 증식 및 분화를 촉진할 수 있음을 발견했습니다. 생체 내 실험은 티타늄 구리-이산화 티타늄 미세 다공성 코팅이 티타늄 임플란트의 골유착을 촉진할 수 있음을 추가로 확인했습니다. 결론적으로, 구리-이산화티타늄 미세다공성 코팅은 미세아크 산화에 의해 제조될 수 있으며, 이는 티타늄의 생물학적 활성 및 생체적합성을 개선하고 새로운 뼈 형성을 촉진하며 우수한 골유도 특성을 나타낼 수 있습니다. 따라서 정형외과에서 이 코팅을 사용하는 것은 잠재적인 임상 적용 가능성이 있습니다.

소개

의료용 경조직 임플란트 재료는 강도, 탄성 계수, 내마모성 및 피로 저항과 같은 적절한 기계적 특성을 가져야 임플란트가 이식된 부위의 생리학적 부하를 장기간 견딜 수 있습니다. 동시에 임플란트가 인체에 부작용을 일으키지 않고 이식 부위의 생리적 조직과 좋은 결합을 형성할 수 있도록 재료는 생체 적합성 및 심지어 생체 활성도가 좋아야 합니다. 순수 티타늄과 티타늄 합금은 기계적 물성과 생체적합성이 우수하여 현재 가장 널리 사용되는 금속 임플란트 재료입니다.

임플란트를 식립한 후에는 먼저 재료의 표면에서 일련의 생화학적 반응이 일어나며, 표면의 특성은 임플란트가 내부 환경에 반응하는 데 중요한 역할을 합니다. 임플란트 표면의 미세구조와 화학적 조성은 단백질의 흡착을 변화시킬 수 있으며, 단백질은 세포 부착을 조절하고 궁극적으로 기능을 결정한다[1]. 티타늄과 티타늄 합금이 가장 널리 사용되는 정형외과용 임플란트 재료이지만 티타늄은 생물학적 활성이 없습니다. 체내에 이식된 후에는 이식 부위의 뼈 조직과 화학적 결합을 형성할 수 없습니다. 티타늄 및 티타늄 합금은 주로 기계적 연동에 의존하여 유지력을 유지[2]하고 신체의 장기적인 신체 기능에 도움이 되지 않습니다.

티타늄 임플란트의 표면 코팅은 티타늄의 기계적 특성을 보완하고 열악한 생물학적 활성과 관련된 단점을 극복할 수 있습니다. 즉, 티타늄을 기질로 하여 기계적 물성을 부여할 수 있으며, 표면 구조와 생물학적 활성이 좋은 원소를 코팅제로 사용합니다. 이 층은 생물학적 활동을 제공하며 이 분야의 연구는 연구 핫스팟이 되었습니다.

현재 금속 표면에 생리 활성 코팅을 제조하는 데 사용되는 기술에는 주로 플라즈마 스프레이, 이온 빔 보조 증착, 전기 영동 증착, 펄스 레이저 물리적 증착, 마이크로아크 산화, 마그네트론 스퍼터링 증착, 졸-겔, 직접 레이저 클래딩 및 레이저 절제 [3,4,5,6,7,8,9,10]. 그 중 플라즈마 스프레이 기술은 상업적 응용이 가능합니다. 그러나 현재의 코팅 기술은 주로 다음과 같은 문제로 인해 여전히 임상 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 코팅의 생리 활성 단계는 결정도가 낮고 생체 활성이 낮습니다. 코팅과 기판 사이의 결합 강도가 좋지 않습니다. 코팅의 내부 물질은 쉽게 용해되어 체내 코팅의 장기적인 안정성에 영향을 미칩니다. 코팅 준비 과정이 너무 복잡하고 공정 조건이 엄격하며 비용이 높으며 효율성이 낮습니다[11].

현재 금속 임플란트의 표면 개질에 널리 사용되는 효과적인 표면 개질 기술인 마이크로 아크 산화는 플라즈마 고온 및 고압의 순간 소결 효과를 사용합니다. 재료의 표면은 거칠고 다공성인 표면을 생성할 뿐만 아니라 생물학적 활성 요소도 코팅에 도입될 수 있습니다. 마이크로 아크 산화 기술로 개질 된 재료의 표면은 매트릭스 재료의 표면 형태, 거칠기, 소수성 및 표면 에너지 및 기타 물리적 및 화학적 특성을 크게 개선하여 재료의 생물학적 활성 및 생체 적합성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 수입된 재료와 뼈 조직 사이의 골유착은 매우 중요합니다[12].

구리(Cu)는 인체에 ​​필수적인 미량원소로 조골세포의 성장을 촉진하고 내피조직에서 혈관내피세포 성장인자의 발현을 촉진하는 등 다양한 기능을 하여 혈관내피세포의 부착 및 증식에 이로운 역할을 합니다. 세포. Cu는 또한 지질 과산화 반응을 강화하고 박테리아의 에너지 대사를 방해하고 약물 내성을 쉽게 유도하지 않는 박테리아 활성 DNA 및 관련 효소의 합성을 억제합니다[13]. 더 중요한 것은 특정 농도 범위의 구리 이온은 높은 생물학적 활성과 우수한 항균성을 모두 갖는 것으로 인식된다는 것입니다. 따라서 구리 이온은 생체 재료 설계에 사용될 때 우수한 생체 적합성을 갖는 것으로 입증되었습니다[14].

세포와 임플란트 사이의 상호작용은 골유착 계면의 형성을 유도하는 중요한 인자이다. 이 상호작용은 주로 표면의 화학적 조성, 표면 에너지, 표면 전하 및 표면 형태와 같은 임플란트 표면의 재료 특성에 따라 달라집니다. 세포와 임플란트 사이의 이러한 상호작용은 세포 접착, 증식 및 분화에 영향을 미칠 수 있습니다. 다공성 표면은 세포 접착, 증식 및 분화를 향상시키는 것으로 입증되었으며 무기 이온(아연, 스트론튬, 마그네슘 등)으로 도핑된 임플란트도 골유착을 촉진하는 것으로 입증되었습니다[15, 16].

마이크로아크 산화 장비의 공정이 간단하고 준비된 코팅의 특성을 조정할 수 있습니다. 다른 이온으로 도핑된 코팅은 전해질의 조성을 변경하여 준비할 수 있습니다. 구리는 유기체에서 중요한 역할을 합니다. 코팅에 구리 이온의 적절한 양은 조골 세포의 증식을 촉진하고 표면 박테리아의 부착을 억제할 수 있습니다. 따라서 이 연구에서 우리는 미세다공성 Cu-TiO2를 준비했습니다. 티타늄 표면에 코팅하여 미세다공성 Cu-TiO2의 효과를 관찰하고 분석하기 위해 in vitro 세포 실험 및 동물 실험을 사용했습니다. 티타늄의 표면 활성 및 생체 적합성 코팅. 우리는 또한 미세다공성 Cu–TiO2의 실현 가능성을 모색했습니다. 코팅은 MC3T3-E1 세포의 접착, 증식 및 골형성 분화를 향상시키고 임플란트-뼈 계면에서 새로운 뼈의 형성 및 골유착을 촉진하는 새로운 유형의 임플란트 코팅 물질로서 임상 적용을 위한 이론적, 실험적 기반을 마련합니다. 미세다공성 Cu–TiO2 티타늄 임플란트 표면에 코팅.

자료 및 방법

샘플 준비 및 특성화

와이어 커팅을 통해 티타늄을 직경 12mm, 두께 1mm의 샘플로 가공했습니다. 임플란트를 직경 3mm, 길이 8mm의 티타늄 막대로 만들었습니다. 사포를 매끄럽게 만들고 아세톤과 탈이온수로 세척하여 코팅을 준비했습니다. 이 연구에서는 집에서 만든 저전력 마이크로아크 산화 전원 공급 장치를 사용했습니다. 마이크로아크 산화 전압은 450V, 모드는 정전류, 마이크로아크 산화 시간은 5분, 주파수는 1000Hz였습니다.

블랭크 대조군은 Ti로 표기하였고, 칼슘 아세테이트 및 칼슘 글리세로포스페이트를 염기성 전해질 용액으로 사용하였다. 염기성 전해액에서 마이크로아크 산화 후 Ti 샘플은 TCP로, 염기성 전해액에서 산화구리 함량이 다른 마이크로아크 산화 후 샘플은 TCP Cu I 및 TCP Cu II로 라벨링되었다(표 1).

전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하여 시료의 표면 형태를 관찰하고, 에너지 분산 분광법(EDS)을 사용하여 코팅 표면의 원소 분포를 관찰하고, 표면 거칠기 프로파일러를 사용하여 샘플의 거칠기를 평가했습니다. 다른 샘플. X선 회절(XRD) 및 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하여 코팅상의 원소 조성 및 미세 구조 및 화학적 상태를 관찰했습니다.

세포 배양

MC3T3-E1 세포(마우스 두개골 세포에서 추출)를 시험관 내 세포 테스트에 사용했습니다. 세포를 37℃, 5% CO2에서 10% 소 태아 혈청 α가 포함된 MEM에서 배양했습니다. . 세포가 융합되어 80% 밀도로 성장했을 때, 세포는 소화되고 0.25% 트립신으로 계대되었습니다. 세 번째 계대는 세포 실험에 사용되었습니다.

라이브/데드 염색

각 군의 세포독성은 살아있는/죽은 형광염색으로 평가하였다. 세포 파종 밀도는 1.5 × 10 4 였습니다. 셀/cm 2 . 배양 3일 후, 샘플을 멸균 PBS로 헹구고 살아있는/죽은 생존력/세포독성 키트에 따라 처리했습니다. 물질의 세포독성을 형광현미경으로 관찰하였다.

세포 접착 및 증식

세포는 1.5 × 10 4 의 밀도로 각 그룹의 표면에 접종되었습니다. 셀/cm 2 . 1시간, 2시간 및 6시간 동안 배양한 후 세포를 PBS로 헹구고 4% 파라포름알데히드로 30분 동안 고정했습니다. PBS로 헹군 후 광염색을 방지하기 위해 40μL의 DAPI 염색제를 시료 표면에 10분 동안 떨어뜨리고 시료를 관찰하고 레이저 공초점 현미경으로 이미지화했습니다.

세포 파종 밀도 및 배양 방법은 위와 동일하며 세포 배양 1일, 3일, 10일 후 CCK-8 kit로 세포의 증식 활성을 측정하였다.

골형성 분화와 관련된 유전자의 발현

세포 접종 밀도 및 배양 방법은 상기와 동일하였다. 접종 1일, 3일, 10일 후에 세포를 채취하고, 실시간 정량 PCR을 이용하여 골형성 분화 관련 유전자(BMP 포함)의 mRNA 수준을 검출했습니다. , COL-I, ALPOCN ). 표적 유전자의 발현 수준은 하우스키핑 유전자 GAPDH의 발현 수준으로 정규화되었습니다. . 프라이머 세트는 표 2에 나열되어 있습니다.

동물 및 외과

동물 실험은 Guizhou 지방 인민 병원의 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 승인을 받았습니다. 체중 3.6kg(3.2~3.9kg)의 수컷 암컷 토끼 16마리를 수주대학교 실험동물센터에서 구입하여 실험군과 대조군(각 8마리)으로 나누었습니다. 3% 펜토바르비탈 나트륨(체중 킬로그램당 0.1mL)을 사용하여 정맥 마취를 수행했습니다. 피부 준비 후 피부를 고정하고 일상적으로 소독했습니다. 외측 대퇴 과두를 세로로 절개하여 외측 과두를 노출시켰다. 수술용 전기 드릴을 사용하여 평평한 표면에 직경 2.7mm, 깊이 6mm의 구멍을 뚫었습니다. 2세트의 티타늄 봉을 결손골(실험군 왼쪽, 대조군 오른쪽)에 이식하고, 감염 예방을 위해 수술 후 3일 연속 페니실린을 투여하였다.

마이크로 CT 분석

수술 후 토끼는 별도의 새장에 보관되었으며 자유롭게 먹고 마실 수 있었습니다. 수술 후 4주와 8주에 8마리의 토끼를 공기 색전술로 안락사시켰다. 실험군과 대조군에서 티타늄 막대를 함유한 토끼의 대퇴골 과두를 제거하고, 표본 크기를 잘라내고, 표본을 포르말린으로 고정하고, 마이크로 CT 스캐닝을 이용하여 3차원 재구성을 하였다. Micro-CT 소프트웨어를 이용하여 관심영역(ROI)을 설정하고, 관심영역의 Bone volume fraction(bone volume/total volume, BV/TV %)을 측정하였다.

Toluidine Blue 및 Fuchsin-Methylene Blue 염색에 의한 조직학적 평가

샘플은 구배 알코올(70%, 80%, 85%, 90%, 95%, 100%, 100%)로 탈수되었습니다. 탈수된 샘플은 메틸 메타크릴레이트로 매립되었습니다. 성공적으로 임베딩된 후 샘플을 절단 및 트리밍하고 절단용 접착제로 슬라이서에 고정하고 최종적으로 약 20-30μm의 슬라이스 두께로 사포로 연마했습니다. (1) 톨루이딘 블루 염색:톨루이딘 블루 염료를 슬라이스 표면에 첨가하고 슬라이스를 수욕에서 염색하였다. 표면 염료를 여과지로 건조하고 헹구고 공기 중에서 자연 건조시켰다. 필름을 밀봉하고 광학현미경으로 관찰하였다. (2) 푹신-메틸렌 블루 염색:톨루이딘 블루 염색과 동일한 방법으로 염색하였다. 먼저 염색용 슬라이스 표면에 메틸렌블루 염색용액을 첨가하고 공기 중에서 건조시킨 후 헹구었다. 그런 다음 슬라이스를 푹신 염색용액에 담그고 공기 중에서 자연 건조시킨 후 밀봉하여 관찰하였다.

통계 분석

데이터는 SPSS 16.0 소프트웨어에 의해 결정된 평균 ± 표준 편차로 표시됩니다. 일원 ANOVA와 SNK 테스트는 그룹 간의 차이를 비교하는 데 사용되었습니다. <0.05는 상당한 차이를 나타냅니다.

<섹션 데이터-제목="결과">

결과

샘플의 표면 형태, 상 및 화학 원소 구성

그림 1은 다양한 샘플의 SEM 표면 형태를 보여줍니다. Ti 그룹과 다른 그룹의 형태는 크게 다릅니다. Ti 그룹은 표면에 구멍이 없고 표면이 비교적 평평하여 약간의 흠집만 남습니다. TCP 그룹은 전형적인 마이크로아크 산화 표면 형태를 가지며 표면은 다양한 크기의 마이크로 기공으로 덮여 있습니다. 이 미세 기공은 서로 교차하며 대략적인 "3차원 구조"를 갖습니다. 크고 작은 모공이 중첩되어 있으며, 모공에는 정해진 규칙이 없습니다. 모양이 불규칙합니다. 또한 구멍 사이의 틈에 화상 자국이 있습니다. TCP 그룹의 표면 형태와 유사하게 TCP Cu I 및 TCP Cu II 그룹의 표면도 불규칙한 모양의 미세 기공으로 덮여 있으며 그룹 간의 표면 형태에는 뚜렷한 차이가 없습니다. 구리의 도핑은 미세 기공의 구조와 형태에 영향을 미치지 않습니다.

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Ti, TCP, CP Cu I 및 TCP Cu II의 표면 형태

그림 2는 미세다공성 Cu–TiO2의 매핑 및 EDS 다이어그램을 보여줍니다. EDS 다이어그램에서 볼 수 있듯이 미세 다공성 Cu–TiO2 코팅은 Cu, Ti, Ca, P 및 O로 구성됩니다. Cu, Ca 및 P를 포함하는 용액은 코팅에 완전히 통합되었습니다. 더 중요한 것은 다른 독성 및 유해 요소를 찾지 못했다는 것입니다. 미세다공성 Cu–TiO2의 매핑 결과 코팅은 구리, 칼슘 및 인이 코팅에 고르게 분포되어 있음을 보여줍니다.

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Cu–TiO2의 매핑 및 EDS 다이어그램 코팅(TCP Cu II)

그림 3은 Ti, TCP, TCP Cu I 및 TCP Cu II의 XRD 패턴을 보여줍니다. 모든 코팅은 주로 Ti, 루틸 및 아나타제입니다. 더 중요한 것은 CuO가 미세다공성 Cu-TiO2 구리가 CuO의 형태로 존재함을 나타내는 코팅.

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Ti, TCP, TCP CuI 및 TCP CuII의 XRD 패턴

그림 4는 미세다공성 Cu–TiO2의 XPS 이미지입니다. 코팅. 그림 3a는 미세다공성 Cu–TiO2의 전체 스펙트럼을 보여줍니다. 티타늄, 산소, 칼슘 및 인을 제외하고 EDS 결과와 유사한 X선 광전자 분광법에 의해 결정된 코팅. 구리의 특성 피크 외에도 구리의 특성 피크도 있습니다. Ti2p의 피크 스펙트럼은 TiO2에 해당합니다. , Cu2p의 피크 932.7 eV에서 CuO를 나타내는 것으로 간주됩니다[17, 18].

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미세다공성 Cu-TiO2의 XPS 이미지 코팅. XPS 스펙트럼, b Ti2p , Cu2p , d Ca2p , e P2pf O1s 스펙트럼

그림 5는 다양한 샘플의 프로파일로미터 형태를 보여줍니다. Ti 샘플을 제외하고 각 그룹의 프로파일로미터 표면 형태는 유사하여 화산과 같은 다단 기공 공동 구조를 보여줍니다. 각 그룹의 거칠기 Ra에 대한 추가 분석은 TCP, TCP CuI 및 TCP CuII의 거칠기가 Ti보다 더 큰 것으로 나타났습니다. TCP, TCP CuI 및 TCP CuII의 거칠기는 유사하고 차이가 크지 않아 마이크로아크 산화가 Ti의 거칠기를 증가시키지만 구리 도핑은 샘플의 거칠기에 영향을 미치지 않음을 나타냅니다.

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다양한 샘플의 프로파일로미터 형태

세포 접착 및 증식

그림 6a는 DAPI로 염색한 후 1, 2, 6시간 후의 세포 부착 이미지를 보여줍니다. 그림 6b는 서로 다른 시간에 서로 다른 샘플의 표면에 부착된 MC3T3-E1 세포의 수입니다. 서로 다른 시점에서 서로 다른 샘플 그룹의 부착 세포 수는 TCP Cu II> TCP Cu I> TCP> Ti 순서로 정렬됩니다. Ti 및 TCP 그룹과 비교하여 TCP Cu I 및 TCP Cu II 그룹의 부착 세포 수가 크게 증가했습니다. 따라서 미세다공성 Cu–TiO2 코팅은 세포 접착을 크게 촉진할 수 있습니다.

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다른 샘플의 표면에 MC3T3-E1 세포의 접착 및 증식. DAPI로 염색한 후 1, 2, 6시간 후의 세포 부착 이미지, b 부착 세포의 막대 차트 및 c 세포 증식 막대 차트(데이터는 평균 ± SD, n으로 표시됨 =5. **p <0.01 그룹 TCP와 비교)

그림 6c는 서로 다른 시간에 서로 다른 샘플의 표면에서 MC3T3-E1 세포의 증식을 보여줍니다. 위 세포의 부착 경향과 유사하게, TCP Cu I 및 TCP Cu II 그룹의 세포 증식은 Ti 및 TCP 그룹의 세포 증식보다 유의하게 높았다. 미세다공성 Cu–TiO2의 표면 형태 코팅과 구리 이온은 함께 세포 증식을 촉진합니다.

그림 7은 EdU 염색 결과를 보여줍니다. EdU 양성 핵의 비율은 TCP CuII> TCP CuI> TCP> Ti 순이었다. Ti 그룹과 비교하여 TCP CuII 그룹의 세포 증식이 유의하게 달랐습니다.

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3일 배양 후 측정된 EdU 염색(데이터는 평균 ± SD, n으로 표시됨) =5. **p <0.01 그룹 TCP와 비교)

라이브/데드 염색

세포 적합성은 임플란트 재료의 기본 요구 사항입니다. 살아있는/죽은 형광 염색은 물질의 세포 독성 및 생체 적합성을 평가할 수 있습니다. 그림 8은 3일 동안 서로 다른 샘플의 표면에서 세포를 배양한 후의 살아있는/사멸 세포 염색 결과를 보여줍니다. 각 샘플 그룹의 표면에 몇 개의 죽은 세포(빨간색)만 있었는데 이는 명백한 세포 독성이 없음을 나타냅니다. 미세다공성 Cu–TiO2의 구리 도핑 코팅은 분명히 세포 독성을 증가시키지 않으며 좋은 세포 호환성을 가지고 있습니다.

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다양한 샘플의 표면에 있는 살아있는/죽은 세포의 염색(데이터는 평균 ± SD, n으로 표시됩니다. =5. **p <0.01 그룹 TCP와 비교)

골형성 분화 유전자의 발현

그림 9는 골형성 분화 유전자(BMP , OCN , ALPCOL-I ) 서로 다른 시점에서 샘플의 각 그룹의 표면 셀. 시간이 지남에 따라 각 샘플 그룹의 표면에서 골 형성 분화 유전자의 발현이 점차 증가했습니다. 동시에 각 유전자군의 발현은 TCP Cu II> TCP Cu I> TCP> Ti 경향을 보였다. Ti 및 TCP 그룹과 비교하여 TCP Cu I 및 TCP Cu II로 구성된 뼈 관련 분화 유전자의 발현이 유의하게 향상되어 미세 다공성 Cu-TiO2 코팅은 골형성 분화를 촉진할 수 있습니다.

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BMP의 mRNA 발현 , OCN , ALPCOL-I 1, 3, 10일의 배양 후(데이터는 평균 ± SD, n으로 표시됨) =5. *p 그룹 TCP와 비교하여 <0.05, **p <0.01 그룹 TCP와 비교)

전체 관찰 및 Micro-CT 분석

그림 10은 대퇴 과두의 육안 관찰 및 마이크로 CT 재건 결과를 보여줍니다. 육안 관찰 결과 두 그룹의 임플란트는 4주와 8주에 대퇴골 과두 중간에 위치가 양호하고 명백한 감염 및 임플란트 느슨해짐이 없는 것으로 나타났습니다. Micro-CT 3차원 재구성은 시간이 지남에 따라 8주에 두 샘플 그룹의 표면에 있는 새로운 뼈 조직이 4주에보다 더 크고 다른 시점에 표면에 새로운 뼈 조직이 형성되었음을 보여줍니다. 미세다공성 Cu–TiO2 -코팅된 티타늄 보형물이 대조군보다 많았다. 두 그룹의 골 용적 분율을 비교하여 미세 다공성 Cu–TiO의 골 용적 분율(BV/TV)2 -코팅된 티타늄은 블랭크 대조군보다 유의하게 높았다. 미세다공성 Cu–TiO2 -코팅된 티타늄은 티타늄 임플란트의 골유착을 촉진할 수 있습니다.

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대퇴골 과두의 육안 관찰 및 미세 CT 재건은 이식 후 4주와 8주에 관찰되었습니다.

조직학적 평가

그림 11은 톨루이딘 블루 및 푹신-메틸렌 블루 염색 결과를 보여줍니다. 골-임플란트 계면에서 섬유 외피가 보이지 않아 티타늄 임프란트가 골 계면에서 염증 반응이 없음을 나타냅니다. 두 그룹의 티타늄 임플란트-뼈 계면 간격에서 흰색 간격을 볼 수 있습니다. 대조군의 흰색 틈의 너비는 미세다공성 Cu-TiO2의 너비보다 컸습니다. 코팅된 티타늄. 간격이 넓을수록 임플란트에 의한 새로운 뼈 조직의 유도가 약해집니다. 톨루이딘 블루 염색은 새로운 뼈인 임플란트-뼈 계면 갭에 파란색 밴드를 보여줍니다. 미세다공성 Cu–TiO2 코팅된 티타늄은 대조군보다 더 많은 뼈 조직을 가지고 있어 미세 다공성 Cu-TiO2 코팅은 골형성을 더 잘 촉진할 수 있고 더 나은 골유착 효과가 있습니다. 미세다공성 Cu–TiO2 주변의 골 기질 코팅된 티타늄은 더 두껍고 연속적이며 뼈 조직이 크게 증가했습니다. 대조적으로 대조군은 뼈가 적었다. 이 결과는 미세다공성 Cu–TiO2 코팅된 티타늄은 골형성을 더 잘 촉진할 수 있고 더 나은 골유착 효과가 있습니다.

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이식 후 4주 및 8주에 신생골 형성의 톨루이딘 블루 및 푹신-메틸렌 블루 염색

토론

금속 티타늄 및 그 합금은 우수한 기계적 특성과 생체 적합성으로 인해 치과, 성형 외과 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 임플란트로서의 티타늄은 뼈 조직과 수동적으로만 결합할 수 있습니다. 이 조합은 종종 기계적 조합으로 임플란트가 느슨해지거나 가라앉기 쉬워 임플란트 실패로 이어집니다. 현재 임플란트 표면 개질 방법은 골유착 능력을 향상시키기 위해 주로 사용된다[19]. 이상적인 임플란트의 표면은 골전도성과 골유도성이 모두 있어야 하고 생체적합성이 좋아야 하며 임플란트와 골조직 사이의 골유착 형성이 촉진되어야 한다[20]. 이 연구에서 우리는 혁신적인 미세 다공성 Cu–TiO2를 준비했습니다. 티타늄 표면에 코팅하여 티타늄의 생물학적 활성과 생체 적합성을 향상시키고 현재 임상 응용 분야에서 티타늄 임플란트의 단점을 극복하기를 희망합니다.

구리 이온과 이산화티타늄은 생물학적 활성이 좋은 것으로 입증되었습니다[21]. 이 연구에서 미세다공성 Cu–TiO2 티타늄 표면의 마이크로아크 산화에 의해 제조된 코팅은 코팅과 티타늄 기판 사이의 긴밀한 결합의 가장 큰 장점을 보여 문헌에서 확인된 바 있다[22]. 마이크로아크 산화 피막의 우수한 결합력은 형성 과정과 밀접한 관련이 있습니다. 마이크로아크 산화 과정에서 화학적 산화, 전기 화학적 산화 및 플라즈마 산화가 공존합니다. 아크 방전에 의해 발생하는 순간적인 고온 고압의 작용하에 티타늄 표면은 기판 표면에서 "성장" 방식으로 기판 산화물을 중심으로 성장합니다. 세라믹 코팅, 코팅 및 기질 송곳니는 엇갈리고 결합력이 좋습니다[23].

생물학적 물질의 표면 특성은 물질의 생물학적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 마이크로아크 산화 코팅은 전자현미경에서 거칠고 다공성인 표면 형태를 나타냅니다. 형태는 주로 서로 침투하는 다양한 크기의 미세 기공으로 구성됩니다. 이러한 작은 기공은 마이크로아크 산화 과정에서 형성되고, 고전압에서 금속 표면이 파괴되며, 마이크로아크 영역에서의 순간적인 고온 소결은 티타늄 매트릭스를 결정질 세라믹 상 구조를 갖는 세라믹 필름으로 직접 산화 및 소결시킨다. , 전기 고장이 발생하는 곳. 전자현미경으로 관찰된 미세기공이 형성된다. These rough and porous structures can not only increase the attachment area of tissue cells, but these interpenetrating micropores are also equivalent to a three-dimensional scaffold structure, which can induce bone tissue to grow into the pores and promote cell adhesion and extension. Pan et al. [24] prepared micro/nanohierarchical structured TiO2 coatings on polished titanium by micro-arc oxidation and found that the coatings were favorable for the adhesion and extension of MG63 cells. Zhang et al. [25] prepared a Si–TiO2 coating by micro-arc oxidation, and further study showed that the adhesion of MC3T3-E1 cells on this silicon-containing TiO2 coating was significantly higher than that on a Si-free TiO2 coating and pure Ti.

The greatest advantage of the microarc oxidation coating is that the ions in the electrolyte solution can be introduced into the coating during the microarc oxidation process. In this study, the EDS analysis results of the coating surface showed that the microporous Cu–TiO2 coating is mainly composed of Cu, Ca, P, O and Ti elements, of which titanium comes from the matrix, calcium and phosphorus come from the basic electrolyte solution, and the copper ions in the electrolyte are deposited in the coating along with the formation of the ceramic film. The calcium and phosphorus components on the surface of the implant can not only improve the surface properties of the material but also induce bone formation. In addition to calcium and phosphorus, the copper ions in the microporous Cu–TiO2 coating have good biocompatibility and biological activity. Copper-doped coatings on the surface of implants have also been reported in the literature. Astasov-Frauenhoffer et al. [26] deposited copper on Ti via a spark-assisted anodization method and confirmed that the viability of the bacterial cells was strongly inhibited. Zong et al. [27] combined anodization and magnetron sputtering to combine copper into TiO2 nanotubes and prepare copper (Cu) into TiO2 NTAs (Cu–Ti–O NTAs), and further study showed that Cu–Ti–O NTAs have excellent long-term antibacterial ability and favorable angiogenic activity.

Biocompatibility is the minimum requirement for measuring implants and is also the basic guarantee for implant safety. In this study, biologically active copper was introduced into the surface of titanium implants through microarc oxidation; however, copper ions, as heavy metal ions, have potential toxicity. Therefore, we must consider whether the microporous Cu–TiO2 coating is cytotoxic. In this study, live/dead cell staining was used to evaluate the microporous Cu–TiO2 coating. The results showed no obvious cytotoxicity on the surface of the microporous Cu–TiO2 coating on the titanium surface, and good cell compatibility was observed. We speculate that this finding may be related to the low copper content of the coating. Huang et al. [28] fabricated gap-bridging chitosan–gelatin nanocomposite coatings incorporated with different amounts of copper (Cu; 0.01, 0.1, 1, and 10 mM for Cu I, II, III, and IV groups, respectively) on Ti and demonstrated that the activities of bone marrow stromal cells were not impaired on Cu-doped coatings except for the Cu IV group.

Cell adhesion and proliferation are the basis of implant osseointegration in the later stage. The more cells that adhere and proliferate on the surface of the implant, the better the effect of implant-bone interface osseointegration. The results of this study showed that on the first day after the material surface was inoculated, the amount of cell adhesion on the surface of the samples of each group differed, and the amount of adhesion on the surface of the microporous Cu–TiO2 coating group increased significantly. The number of cells that adhered to the sample surface gradually increased, but the number of cells that adhered to the group with microporous Cu–TiO2 coating was significantly greater than that of the other two groups. The difference was statistically significant, indicating that the microporous Cu–TiO2 coating was doped with copper ions. A porous, rough surface is most conducive to cell adhesion. Similar to cell adhesion, cell proliferation on the surface of each group of materials also showed similar results. Our research results are similar to previous reports [29].

In addition to adhesion and proliferation, the degree of cell differentiation on the surface of the material can further reflect the performance of the implant's osseointegration. The osteogenic differentiation marker genes ALP , BMP , RUNX2 , OCN and COL-I can reflect cell differentiation. In this study, as time went by, the expression of BMP, OCN, ALP and COL-I on the surface of each group of samples increased, but the expression of the microporous Cu–TiO2 coating group was significantly higher than that of the control group. This finding is closely related to the promotion of osteogenic differentiation by copper ions. Komarova et al. [30] prepared Zn- and Cu-containing CaP-based coatings by microarc oxidation on Ti and showed that low amounts of Cu and Zn in the coatings promoted high motility of human adipose-derived multipotent mesenchymal stromal cells and subsequent ability to differentiate into osteoblasts.

Osseointegration is the key to the success or failure of the implant. This means that there is no fibrous tissue between the implant and the bone tissue. There is direct contact between the implant and the bone tissue, and it can directly bear stress to realize the relationship between the implant and the bone tissue, establishing a functional connection. The osseointegration between orthopedic implants and bone tissue is affected by many factors, such as the initial stability of the implant and the mechanical properties of the implant material, implant surface properties, biocompatibility, biological activity and the condition of the surrounding bone tissue [31].

An ideal implant position and a stable biomechanical environment are the prerequisite and basis for the osseointegration of the implant-bone interface. In this study, the femoral condyle was chosen to be implanted with a copper-doped microporous coating because the abundant blood supply and sufficient bone volume at the femoral condyle can provide a good anatomical basis and a relatively stable mechanical environment for the implant. Moreover, the femoral condyle is mostly cancellous bone. After implantation, bone formation and the effect of implant-bone interface osseointegration can be more intuitively evaluated.

Micro-CT is currently a common method for observing the osteogenesis performance of implants and is also an effective method for evaluating the osseointegration between implants and bone tissue. Bone microstructure is visualized through three-dimensional reconstruction and the region of interest (ROI) analysis with the assistance of related software to obtain the relevant parameters of new bone tissue. Among all the parameters, BV/TV represents the total amount of bone formation and is an important indicator reflecting the osseointegration of the implant. In this study, we chose BV/TV as the detection index. Four weeks after implantation, the BV/TV of the microporous Cu–TiO2 coating group was higher than that of the control group. Eight weeks after implantation, the BV/TV values of the microporous Cu–TiO2 coating group and the control group were higher than those at 4 weeks, and the BV/TV of the microporous Cu–TiO2 coating group was higher than that of the control group. On the basis of micro-CT detection, we performed histological observation and quantitative analysis of the bone tissue around the implant through hard tissue slices. The results of VG staining showed that the microporous Cu–TiO2 coating group formed more new bone than the control group, and the new bone that formed around it was in direct contact with the internal implant without fibrous tissue infiltration. These results indicate that microporous Cu–TiO2 coating on the titanium surface can promote the osseointegration of titanium implants. This finding is similar to previous in vitro studies. The rough, porous structure produced by microarc oxidation mimics the micro/nanostructure of normal bone tissue. More importantly, biologically active copper ions promote bone tissue regeneration. Under the action of these common factors, bone tissue regeneration on the surface of the implant is promoted. Our research results are consistent with literature reports. Milan et al. [32] designed a multifunctional Cu/a-C:H thin coating deposited on Ti–6Al–4 V alloy (TC4) via magnetron sputtering and found that the coating composition can stimulate angiogenesis and osteogenesis and control the host response, thereby increasing the success rate of implants.

Conclusion

In summary, we prepared a microporous Cu–TiO2 coating on a titanium surface by microarc oxidation. The surface of the coating has a porous structure with pores of different sizes and interconnected pores. The coating increases the surface roughness of Ti and copper is evenly distributed on the surface of the coating. In vitro studies revealed that the coating has no obvious cytotoxicity and can promote the adhesion, proliferation and differentiation of MC3T3-E1 cells. In vivo experiments further confirmed that the coating can induce the formation of new bone tissue and promote osseointegration at the titanium implant-bone interface. In view of the biological activity in vivo and in vitro, we believe that the microporous Cu–TiO2 coating on the surface of titanium implants has potential clinical application value in orthopedics.

데이터 및 자료의 가용성

Not applicable.

약어

MAO:

micro-arc oxidation

Cu:

copper

Zn:

zinc

Cu–TiO2 coating:

copper–titanium dioxide coating

ROI:

region of interest

ALP:

alkaline phosphatase


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