不銹鋼表面鉭沉積生物相容性的研究

崔煜艷 馬天馳 馬秀麗 何平

醫用金屬材料，由于其優良的物理化學性能和生物相容性而被廣泛的應用于醫學臨床領域，尤以口腔和骨科為甚[1-3]。臨床上常用的醫用金屬材料為316鈷鉬合金、鈦合金、純鈦等。其中，由于316合金的價格低廉且易于加工而被廣泛的應用。但近年來的研究發現，與其他大部分醫用金屬一樣，316合金的生物相容性并非完美[4-5]。其應用于臨床時會有部分組織排斥的現象出現。現在對于生物相容性的研究，學者們發現金屬鉭具有幾乎近于完美的生物相容性，且將其應用于臨床后發現其臨床效果極佳[6-7]。受限于鉭高昂的價格，鉭的臨床應用增加了患者的負擔。在本研究中，擬以316金屬為基底，通過化學氣相沉積技術使金屬鉭在316金屬表面沉積，并對沉積鉭后的材料進行生物相容性評價，對其臨床應用前景進行評估。

1 材料與方法

1.1 材料制備 將直徑為1 cm、厚度為2 mm的圓形316不銹鋼片表面拋光，超聲波清洗，干燥后備用，將五氯化鉭置于陶瓷坩堝內，同處理后的316不銹鋼片分別置入化學氣相沉積機的反應管內，載氣為氬氣，還原氣為氫氣，反應溫度為800 ℃，沉積時間為2 h。將沉積后的材料取出后備用。

1.2 X射線衍射檢測 將經過鉭沉積的金屬片放于掃描鏡的載物臺上，經表面噴金后進行X射線質譜分析，已確定沉積層的物理成分。

1.3 骨髓基質干細胞分離培養 將1只4周齡SD大鼠脫頸處死后，無菌取出雙側股骨，PBS沖洗，去除表面的多余組織，在無菌條件下，去除股骨兩端，用含20%FBS的DMEM培養基沖洗骨髓腔，將沖洗液收集，置于25 cm2培養瓶中，首次24 h換液，3~4 d傳代，擴增細胞后備用。

1.4 細胞黏附實驗 將兩種金屬片清洗干燥后備用，將培養瓶中的骨髓基質干細胞消化、吹打、離心、重懸，調整細胞密度為1×104個/mL。

取次細胞懸浮液200 μm分別植入兩種金屬表面，依靠表面張力使液體不外流，置于細胞培養箱中連續培養24 h后，PBS沖洗，將金屬片表面的細胞用0.25%的胰蛋白酶消化后，吹打下來，進行細胞計數，分別計算兩組材料表面細胞24 h黏附率，并進行統計學分析。

1.5 材料表面細胞形態學觀察和堿性磷酸酶活性檢測 將細胞分別接種于兩種材料表面，在培養的第3天，分別取出兩種材料，對材料表面的細胞進行用PBS清洗，多聚甲醛固定，酒精梯度脫水干燥，在金相顯微鏡下觀察材料表面細胞生長狀況，并照相記錄。在培養的第5天將兩種材料取出，PBS清洗，Trion100裂解細胞，將裂解液收集進行堿性磷酸酶檢測（南京建成生物技術研究所堿性磷酸酶檢測試劑盒）。

1.6 統計學處理 采用SPSS 12.0統計學軟件分析，計量資料以（s）表示，比較采用配對t檢驗，以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 X射線衍射檢測 經X射線衍射檢測316表面沉積物為鉭。

2.2 材料表面基質干細胞形態學觀察 在兩種材料表面生長的基質干細胞為圓形、多角形或梭形，胞漿比例大，胞質透明，胞核圓形，生長狀態良好，見圖1。

圖1 細胞顯微鏡觀察

2.3 細胞黏附實驗 經過24 h細胞黏附檢測，鉭沉積材料表面的細胞黏附率為（93.34±1.72）%，316不銹鋼表面為（85.63±1.53）%，差異有統計學意義（P<0.05）。

2.4 材料表面細胞堿性磷酸酶活性檢測 經過5 d材料表面細胞培養后，經堿性磷酸酶檢測，鉭沉積材料表面的大鼠骨髓基質干細胞的堿性磷酸酶活性為（115.32±3.27），316不銹鋼表面為（81.23±3.35），差異有統計學意義（P<0.05）。

3 討論

醫用金屬材料由于具有良好的物理學性質且價格低廉，被廣泛的應用于醫用材料領域，用來進行硬組織缺損的修復、骨折的固位、關節的替代等[8-9]。但由于機體免疫系統的存在，對于金屬材料的植入難免會發生或多或少的免疫排斥反應，使材料在機體內發生腐蝕或被吸收，使手術植入失敗[10-13]。近年來，對于金屬材料的生物相容性研究成為生物學材料研究的熱點[14]。316醫用不銹鋼作為傳統的醫用材料具有優良的生物學性能，但與金屬鉭相比，其生物相容性較差。金屬鉭是一種硬度較高、密度較大的金屬材料，其物理性能穩定。在常溫下，對鹽酸、濃硝酸及“王水”都不反應，有金屬陶瓷之稱[15-16]。但是由于其價格昂貴，加工相對困難，而限制了其在臨床上的應用。

本實驗中，筆者通過化學氣相沉積技術是鉭沉積于316醫用不銹鋼表面，通過X射線衍射試驗發現此沉積層鉭含量極高，且性質穩定。此項檢測的目的在于對不銹鋼表面的鉭沉積層質量進行評估，由于實驗條件的限制和加工工藝的局限，鉭沉積層在基材表面的沉積是不均勻的，如果在生物實驗前不進行鉭含量檢測，則無法保證316為鉭所有效覆蓋。經過檢測筆者發現沉積層的成分為純鉭。由于鉭有效的覆蓋了316不銹鋼表面，使經過鉭沉積后的316不銹鋼材料表面具有鉭的性能，這樣在不大幅提高材料成本的情況下理論上可以大幅提高材料的生物相容性性能。在實驗中，為證實此種假設，筆者對材料采用了細胞黏附率的檢測和堿性磷酸酶活性的檢測。由于材料植入體內后，首先和細胞接觸，細胞和材料的早期接觸特性，即細胞的黏附率決定了材料的早期生物相容性，故對于黏附率的檢測來評價生物相容性是有著重要的意義。其次，由于金屬材料在臨床應用中大部分被用于硬組織，所以，本實驗檢測了堿性磷酸酶的活性，以此來評估材料的骨組織結合特性，為臨床應用提供數據支持。通過這兩種生物學檢測，筆者發現316不銹鋼表面經過鉭沉積后，有效地提高了其生物學性能，進而擁有廣闊的應用前景。

對于鉭在不銹鋼表面的沉積依然有許多問題要解決。首先，對于抗磨性的研究，由于本實驗條件所限并未涉及，但對于臨床上的關節替代研究領域、抗磨性的研究為一中重要研究領域。其次，對于鉭沉積厚度和沉積時間兩者相關性的研究也為鉭沉積材料臨床應用研究的一個重要領域。

總之，由于鉭本身所具有的優良的生物學性能，通過薄膜技術將其分布于各種基材表面進而改變基材的生物學性能是大范圍提高臨床材料生物相容性的有效手段。

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