Sr2+/NO/OGP协同提高钛表面TiO2纳米管的成骨性能研究

doi:10.7503/cjcu20240523

摘要/Abstract

摘要：

首先，采用阳极氧化和水热处理技术在钛表面原位制备装载Sr²⁺的TiO₂纳米管阵列；然后，采用电泳沉积的方法在纳米管表面制备羧甲基壳聚糖(CMCS)涂层；最后，依次在纳米管中装载NO释放分子(N-亚硝基-N-苯基羟胺铵盐)和成骨生长肽(OGP), 通过Sr²⁺、 NO气体分子以及OGP的协同促进成骨细胞的黏附、生长和功能表达. 研究结果表明, 功能化的纳米管阵列不仅可以诱导羟基磷灰石(HA)的仿生沉积, 还可以持续释放Sr²⁺和NO气体信号分子, 显著促进成骨细胞的黏附、增殖以及碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素(OCN)和Runt相关转录因子2(RUNX2)的表达. 在装载OGP后, 成骨细胞的黏附生长和功能表达进一步提高. 因此, 本文的表面改性策略可用于在钛合金表面构建具有优异生物相容性的生物活性涂层, 从而提高钛基骨替代材料的骨整合性能.

关键词: 钛, 成骨细胞, NO气体分子

Abstract:

In this study， anodization and hydrothermal treatment techniques were first employed to prepare Sr²⁺-loaded TiO₂ nanotube arrays on the titanium surface. Then， carboxymethyl chitosan（CMCS） coating was fabricated on the nanotube surface by electrophoretic deposition. Finally， NO-releasing molecules（N-Nitroso-N-phenylhydroxylamine ammonium salt， Cupferron） and osteogenic growth peptides（OGP） were sequentially loaded into the nanotubes， achieving synergistically promoting osteoblast adhesion， proliferation， and functional expression by Sr²⁺， NO gas molecule， and OGP. The results indicated that the functionalized nanotube arrays could not only induce biomimetic deposition of hydroxyapatite（HA）， but also continuously release Sr²⁺ and NO gas signaling molecules， significantly promoting the adhesion and growth of osteoblasts， as well as the expressions of alkaline phosphatase（ALP）， osteocalcin（OCN）， and Runt related transcription factor 2（RUNX2）. After loading OGP， the osteoblast adhesion， growth， and functional expression were further enhanced. Therefore， the surface modification strategy of the present study can be used to construct the bioactive coating with excellent biocompatibility on titanium alloy surfaces to improve the bone integration ability of titanium-based bone-substituted materials.

Key words: Titanium, Osteoblast, NO gas molecule

中图分类号:

TrendMD:

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PAN Changjiang, MA Wenfu, DING Pingyun, ZHANG Qiuyang, DENG Linhong. Synergistically Improving Osteogenic Properties of TiO₂ Nanotubes on Titanium Surface by Sr²⁺/NO/OGP. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(7): 20240523.

图/表 11

Fig.1 Surface sectional(A1—F1), cross⁃sectional(A2—F2) morphologies, and distribution mappings of majorelements determined by EDS(A3—F3, A4—F4, A5—F5, D6—F6) for different modified samples（A1—A5） TNT；（B1—B5） TNT@Sr；（C1—C5） TNT-SrA；（D1—D6） TNT@CMCS；（E1—E6） TNT@CIR；（F1—F6） TNT@OGP.

Fig.2 XPS survey spectra of different samples’ surfaces

Fig.3 High⁃resolution XPS spectra of different samples（A1—A3） Ti；（B1—B4） TNT；（C1—C4） TNT@Sr；（D1—D4） TNT@SrA；（E1—E5） TNT@CMCS；（F1—F5） TNT@CIR；（G1—G5） TNT@OGP.

Table 1 XPS elemental analysis results of different samples’ surfaces

Sample	Molar fraction（%）
Sample	Ti	O	C	F	Sr	N
Ti	22.40	47.72	29.88	—	—	—
TNT	17.89	35.71	40.53	5.87	—	—
TNT@Sr	10.23	31.62	46.32	—	11.83	—
TNT@SrA	11.36	30.01	46.51	—	12.12	—
TNT@CMCS	11.46	35.88	37.59	—	9.83	5.24
TNT@CIR	10.31	31.30	40.10	—	8.25	10.04
TNT@OGP	6.97	32.72	41.65	—	6.94	11.72

Fig.4 XRD patterns(A) and ATR⁃FTIR spectra(B) of different samples

Fig.5 Water contact angles of different surfacesa. Ti； b. TNT； c. TNT@Sr； d. TNT@SrA； e. TNT@CMCS； f. TNT@CIR； g. TNT@OGP. In comparison with Ti， significant differences in water contact angles of other samples were observed（*P<0.05， n=5）.

Fig.6 Sr2+(A) and NO(B) release behaviors of different samples in PBSThree parallel samples were measured and the values were averaged.

Fig.7 SEM images of different samples immersed in SBF for 7 d(A), weight changes of different samples during the immersion experiments(n=3)(B), and XRD patterns of TNT@OGP after immersion for 21 d in SBF(C)

Fig.8 Fluorescent images of cells attached to the different surfaces after being cultured for 1 d(A—G) and 3 d(A′—G′), respectively(A, A′) Ti; (B, B′) TNT; (C, C′) TNT@Sr; (D, D′) TNT@SrA; (E, E′) TNT@CMCS; (F, F′) TNT@CIR; (G, G′) TNT@OGP.

Fig.9 Cell numbers(A) and CCK⁃8 values(B) for different samplesThe cells were cultured on different surfaces for 1 and 3 d. Statistical significances are indicated by * P < 0.05（n = 5） compared with Ti and TNT.

Fig.10 ALP(A), OCN(B), and RUNX2(C) expressions of cells on different surfaces after 1 and 3 d of growthStatistical significances are indicated by * P<0.05（n = 5） compared with Ti and TNT.

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Sr²⁺/NO/OGP协同提高钛表面TiO₂纳米管的成骨性能研究

Synergistically Improving Osteogenic Properties of TiO₂ Nanotubes on Titanium Surface by Sr²⁺/NO/OGP

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