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研究目的:钽金属因其具有良好的生物相容性、骨诱导特性,已经广泛运用在口腔颌面外科,关节外科以及骨缺损修复领域。但由于其不同于传统钛合金,具有较高的弹性模量,远大于人体松质骨,若直接应用在承重部位,可因为“应力遮挡”效应造成二次骨折。我们拟运用化学气相沉积法(CVD)设计制备钛基钽涂层椎弓根螺钉很好地结合了钛合金良好的机械性能和钽金属出色的生物学特性,并利用实验动物验证涂层螺钉在促进成骨和锚定牢固性上的优越性。在体外实验研究钽金属对MC3T3-E1细胞和hBMSCs细胞的粘附和增殖的作用,对人间充质干细胞摄取培养基中钙离子及矿化的能力的影响,以及明确哪些信号通路参与了钽金属促进成骨分化的过程。研究内容:1.运用化学气相沉积法(CVD)在常规钛合金螺钉表面制备钽涂层,利用扫描电镜观察涂层表面形貌;2.运用CCK-8法定量比较MC3T3-E1细胞和hBMSC细胞在钽和钛合金表面地粘附、增殖能力,利用扫描电镜定性分析两种金属表面细胞形态差异;3.利用ALP和茜素红染色,分析比较钽金属和钛合金对于hBMSC细胞分化的影响;4.通过Real-time PCR和Western Blot研究钽金属诱导成骨分化机制;5.将钽涂层螺钉和常规钛合金螺钉植入猪的椎弓根,测定螺钉的瞬时拔出力和3个月后的抗拔出力,并运用硬组织切片和micro-CT分析螺钉周围骨小梁的含量。结果:1.扫描电镜显示:CVD法制备的钛合金螺钉表面的钽涂层呈现出均匀的鱼鳞状斑片样结构,增大了植入物表面粗糙程度,能利于细胞附着。2.CCK-8法在450nm处测定的OD值显示:MC3T3-E1细胞在第8小时,hBMSC细胞在第2、4、8小时粘附在钽表面的OD值比钛合金表面更高,且差异具有统计学意义。扫描电镜显示在1、4、8、12、24小时,钽片表面的细胞形态较钛合金表面能更好地粘附于金属表面。并且CCK-8法同样证明了在96小时和120小时,两种细胞在钽片表面具有更佳地增殖能力。3.在早期分化的第7天和14天进行的ALP染色和在第21天、28天分化晚期进行的茜素红染色结果都显示了,hBMSC细胞在钽片表面具有更强的分化能力,有更多的红色的钙结节被染色,并且钽片表面的细胞吸收了培养基里更多的钙离子同样证明了这一点。4.Western Blot测定7天钽片表面β-Catenin蛋白,21天、28天磷酸化的p-Smad3蛋白含量较钛合金表面明显增高,Real-time PCR测定下游相关RNA水平同样有高表达。利用TGF-β/smad通路抑制剂阻断Smad3通路后,ALP染色显示hBMSC细胞分化降低。5.动物实验结果显示3个月时钽涂层螺钉具有更大地抗拔出力,且组织形态学分析钽涂层螺钉表面诱导生成了更大量的骨小梁。结论:1.CVD法制备的钛基钽涂层螺钉方法简便,涂层结合牢固。2.相比传统的钛合金,钽金属能更好地促进细胞的粘附、增殖。3.钽可以通过激活Wnt/β-catenin通路和TGF-β/smad通路促进成骨。