不同尺度二氧化纳米颗粒的细胞毒性及其机制研究.pdf

Study on Cytotoxicity Effect and Its Mechanism of Different Sized Titanium Dioxide Nanoparticles A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Doctor’s Degree of Engineering By Hou Yanhua Supervied by Prof. Cai Kaiyong Specialty：Biomedical Engineering College of Bioengineering of Chongqing University, Chongqing, China October 2012 中文摘要 摘 要 钛及钛合金因具有良好的力学性能和生物相容性，被广泛地应用为临床骨植 入体。但是，由于其固有的表面惰性，钛基植入体只能通过机械锁合方式与周围 骨组织整合。因此，在过去几十年中，科研工作者通过调控适宜的钛基材表面拓 扑结构以期获得高性能钛基植入体。近年来，伴随着纳米技术的快速发展，利用 纳米表面工程化钛基表面(纳米拓扑结构)调控细胞行为的研究备受关注。 然而，在长期临床应用（例如，钛髋关节植入体）中，由于腐蚀、无菌性松 动和假体摩擦，植入体/骨界面不可避免地会产生微米级或纳米级的磨损颗粒。本 论文利用水热法合成了不同尺度的二氧化钛纳米颗粒，模拟钛合金植入体的纳米 级的磨损颗粒，进而研究磨损颗粒对成骨细胞、骨髓骨间充质干细胞生长的影响， 为研发新型钛基植入体积累知识。本文的主要研究内容和结论如下： 1．不同尺度二氧化钛纳米颗粒的合成 利用水热法合成了不同尺度的二氧化钛纳米颗粒。分别利用扫描电子显微镜 和透射电子显微镜对一系列二氧化钛纳米颗粒的形貌进行了表征。结果显示，二 氧化钛纳米颗粒具有均一的形态特征和较好的分散性。颗粒粒径分布分别为: 14±3 nm 、39 ±8 nm、74 ± 15 nm、108 ±23 nm、136 ±34 nm 及196 ±50 nm。X 射线衍射 仪表征证实：二氧化钛纳米颗粒呈高结晶度，晶相结构符合锐钛矿相(PDF 21-1272)。 2．200 纳米以下不同尺度二氧化钛颗粒的细胞毒性与其尺度的相关性 为了评价钛基全关节植入体产生的纳米尺度磨损颗粒对细胞的影响，在本文 中，我们首先研究了不同尺度的二氧化钛纳米颗粒对成骨细胞生物功能的影响。 细胞活力和碱性磷酸酶活性评价表明：纳米颗粒的负效应随颗粒尺度的增加而增 大(p0.05，p0.01) 。利用透射电子显微镜、溶酶体染色和激光共聚焦显微镜检测 了纳米颗粒对细胞形态的影响以及在细胞中的分布。结果表明：二氧化钛纳米颗 粒仅存留于细胞质中，而未进入细胞的细胞核中。利用吞噬抑制剂，我们进一步 研究了不同纳米颗粒内吞机制。结果证实：不同尺度的纳米颗粒进入细胞的内吞 作用的途径不同。最后，我们研究了不同纳米颗粒对成骨细胞核受体激活核因子κB 配体（RANKL ）的表达、基质金属蛋白酶MMP-9 活性以及细胞凋亡的影响。研 究证实：随着颗粒粒径的增加，负效应也随之显著增加。总之，所有数据表明， 锐钛矿型TiO2 纳米颗粒对成骨细胞的负效应随颗粒尺度的增加而增大，为纳米钛 基植入体的安全性评价提供了依据。 3. 不同尺度二氧化钛纳米颗粒对骨髓间充质干细胞粘附、增殖、迁移和分化 I 重庆大学博士学位论文 的影响 为进一步研究钛基人工关节植入体的纳米尺度磨损颗粒对骨整合性的影响， 我们从细胞水平到分子水平研究了不同TiO2 纳米颗粒（模