功能化钛种植体及相关的再生材料
阅读：312发布：2020-05-15
专利汇可以提供功能化钛种植体及相关的再生材料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 提供了一种使种植体实现功能化的方法，该方法包含对该种植体的表面进行处理，从而使该表面带正电荷。该种植体提高了组织-种植体的整合和/或骨-种植体的整合。，下面是功能化钛种植体及相关的再生材料专利的具体信息内容。
1.一种医疗种植体，它包含金属表面，其特征在于，该金属表面包含带正电荷的金属氧化物。
2.权利要求1所述的医疗种植体，其特征在于，该金属选自一组由钛、铂、钽、铌、镍、铁、铬、钴、锆、铝和钯构成的金属。
3.权利要求1所述的医疗种植体，其特征在于，该金属表面实质上不含烃。
4.权利要求1所述的医疗种植体，其特征在于，该种植体包含一种载体材料。
5.权利要求1所述的医疗种植体，其特征在于，该种植体表面包含一种金属氧化物阳离子。
6.权利要求5所述的医疗种植体，其特征在于，该金属氧化物阳离子是氧化钛阳离子。
7.权利要求1所述的医疗种植体，其特征在于，该种植体表面能够以增强的速率吸引蛋白质或者细胞。
8.权利要求7所述的医疗种植体，其特征在于，该细胞选自一组由人体间充质干细胞和成骨细胞构成的细胞，以及该蛋白质选自一组由牛血清白蛋白、第五组分、和牛血浆纤连蛋白构成的蛋白质。
9.权利要求7所述的方法，其特征在于，该蛋白质或者细胞直接附着在该种植体表面。
10.权利要求1所述的医疗种植体，其特征在于，该种植体表面能够促进组织-种植体的整合和/或骨-种植体的整合。
11.权利要求书1所述的医疗种植体，其特征在于，该种植体表面具有以下的任意一项或者它们的组合功能：
增加蛋白质的吸附；
增加成骨细胞的迁移；
增加成骨细胞的附着；
增加成骨细胞的铺开；
增加成骨细胞的增殖；以及
增加成骨细胞的分化。
12.一种使医疗种植体实现功能化的方法，它包含：
(1)提供一个金属种植体表面，以及
(2)对该种植体表面进行处理从而使该表面带正电荷。
13.权利要求12所述的方法，其特征在于，该经过处理的表面以增强的速率吸引蛋白质或者细胞。
14.权利要求12所述的方法，其特征在于，该表面是一个钛表面。
15.权利要求14所述的方法，其特征在于，该钛表面包含TiO2。
16.权利要求12所述的方法，其特征在于，该经过处理的表面实质上不含烃。
17.权利要求12所述的方法，其特征在于，该种植体包含一种载体材料。
18.权利要求12所述的方法，该方法还包含一个对该种植体表面进行处理步骤之前的对该种植体表面进行加工的步骤，其特征在于，该种植体表面通过化学蚀刻、机械加工、或者喷砂进行加工。
19.权利要求12所述的方法，其特征在于，用紫外线(UV)处理该种植体表面。
20.权利要求18所述的方法，其特征在于，用紫外线(UV)处理该经过加工的表面。
21.权利要求19或20所述的方法，其特征在于，该紫外线的波长选自一组由约170nm至约270nm以及约340nm至约380nm构成的波长。
22.权利要求19或20所述的方法，其特征在于，利用波长为约170nm至约270nm的紫外线以及波长为约340nm至约380nm的紫外线的组合来处理该表面。
23.权利要求19或20所述的方法，其特征在于，利用紫外线处理的时间直至48小时。
24.权利要求22所述的方法，其特征在于，利用紫外线处理所经过的时间选自一组由
30秒钟、1分钟、5分钟、15分钟、30分钟、1小时、3小时、5小时、10小时、15小时、24小时、
36小时和48小时所构成的时间。
25.权利要求12所述的方法，其特征在于，该经过处理的表面包含一种金属氧化物阳离子。
26.权利要求25所述的方法，其特征在于，该金属氧化物阳离子是氧化钛阳离子。
27.权利要求13所述的方法，其特征在于，该细胞选自一组由人体间充质干细胞和成骨细胞构成的细胞，该蛋白质选自一组由牛血清白蛋白、第五组分、和牛血浆纤连蛋白构成的蛋白质。
28.权利要求13所述的方法，其特征在于，该蛋白质或者细胞直接附着在该经过处理的种植体的表面。
29.权利要求12所述的方法，其特征在于，与未经处理的种植体表面相比，该经过处理的种植体表面提高了组织-种植体的整合和/或骨-种植体的整合。
30.权利要求12所述的方法，其特征在于，与未经处理的种植体表面相比，该经过处理的种植体表面提高了骨形成能力。
31.权利要求书12所述的方法，其特征在于，该经过处理的种植体表面能够实现以下的任意一项功能或者它们的组合：
与未经处理的种植体表面相比，增加蛋白质的吸附；
增加成骨细胞的迁移；
增加成骨细胞的附着；
增加成骨细胞的铺开；
增加成骨细胞的增殖；以及
增加成骨细胞的分化。
32.一种促进组织-种植体的整合或者骨形成的方法，该方法包含权利要求11-31任意一项所述的方法。
功能化钛种植体及相关的再生材料
[0001] 相互参照
[0002] 本申请要求2008年11月25日提交的美国临时申请号为：61/117,831的优先权，该申请讲授的内容被整体引为参考。
技术领域
背景技术
[0004] 骨质疏松性股骨颈骨骨折(femoral neck fracture)、以及膝关节和髋关节的退行性病变是相当常见的问题。美国每年做五十余万例的髋关节和膝关节再造手术，手术中利用钛种植体作为锚固(anchor)已经成为一种基本的处理治疗方式。这些区域的骨折的性质和位置不允许骨头固定(例如，铸造夹板固定)，手术后，种植体经常马上受到由于重力和日常生活活动，像行走所造成的经常和/或周期性负载的影响。这样治疗结果的问题主要包括相当大程度的残疾、持久依赖性、死亡率、范围在5％-40％的较高的修正手术比率、以及生活质量的大幅下降。另一个不利因素是，为了这些目的种植体布置遇到了骨头的再生潜能受损以及代谢活动像骨质疏松和老年性的特点，它们阻碍了骨头在种植体周围的愈合。因此利用骨内种植体(endosseous implants)，骨与关节支抗(joint anchorage)的迅速且牢固的建立是一种持久的努力，以使发病率降到最低，使功能恢复和长期预后最大化。
[0005] 同时，利用牙齿钛种植体对掉落的牙齿进行修复治疗被普遍地接受。但是，口腔医学中种植体疗法的应用有各种风险因素，包括宿主骨头的质量和尺寸、全身状况和年龄。更重要的是，钛种植体需要延长的愈合时间(4-6个月)以及骨头整合以忍耐咬合的负荷(occlusal load)，实际地限制了这种有利疗法的应用。具有改善的骨形成(bone-forming，osteoconductive)能力的种植体能给患者和牙医带来很大的益处。
[0006] 除骨头之外，不同于骨、关节、和牙齿再造疗法，现有组织再生疗法遇到了许多挑战。例如，目前所采取的对受伤和退行性病变后骨头缺损的治疗需要使用生物分子，例如生长因子来刺激组织再生。生物分子的效力以及能被再生的骨体积(volume)仍然存在限制。生物分子的有害效应和治疗的费用都值得注意。
[0007] 当与载体生物材料一起传递的种植体的生物活性提高时，其可能具有用来增强组织再生所需要的生物反应的潜能。
[0008] 发明综述
[0009] 这里提供的是一种医疗种植体，它包含金属的表面，其特征在于，该金属表面包含带正电荷的金属氧化物。该金属可以是钛、金、铂、钽、铌、镍、铁、铬、钴、锆、铝和钯。在一个实施例中，该种植体包含一种载体材料，它可以是金属或者非金属的。
[0010] 在一个实施例中，该医疗种植体包含钛表面。该钛表面包含TiO2。在一个实施例中，该钛表面实质上不含烃。
[0011] 该种植体表面能够以增强的速率吸引蛋白质和/或者细胞。该蛋白质可以是牛血清白蛋白(bovine serum albumin)、第五组分(fraction V)、和牛血浆纤连蛋白(bovine plasma fibronectin)。该细胞可以是人体间充质干细胞和成骨细胞。该蛋白质或者细胞可以直接附着在该经过处理的种植体表面，例如，不通过二价的桥连(bridging)阳离子。
[0012] 该种植体表面可以导致和改善组织-种植体的整合和/或骨-种植体的整合。该种植体表面能够实现以下的任意一项功能或者它们的组合：增加蛋白质的吸附；增加成骨细胞的迁移；增加成骨细胞的附着；增加成骨细胞的铺开；增加成骨细胞的增殖；以及促进成骨细胞的分化。
[0013] 这里提供的是一种使医疗种植体实现功能化的方法，它包含(1)提供一个金属的种植体表面，以及(2)对该种植体的表面进行处理从而使该表面带正电荷或者增加表面的正电荷。在某些实施例中，该方法使该表面再生理条件下带上正电荷。该生理条件下的pH值可以为7左右。在某些实施例中，该方法使该表面在pH值小于7或者pH值大于7的条件下带上正电荷。
[0014] 在一个实施例中，与未经处理过的表面相比，该经过处理的表面能够以增强的速率吸引蛋白质和/或细胞。
[0015] 在一个实施例中，该种植体具有钛表面。在一个实施例中，该钛表面包含二氧化钛。
[0016] 在一个实施例中，该种植体表面用紫外线照射处理。该紫外线能用紫外灯来提供。该紫外线的波长可以为约10nm至400nm。在某些实施例中，该紫外线的波长可以为约170nm至约270nm，或者约340nm至约380nm。在某些实施例中，该表面用波长为约170nm至约270nm的紫外线与约340nm至约380nm的紫外线的组合照射处理。
[0017] 该紫外线可以具有宽的强度范围。例如，该紫外线的强度范围可以在0.001mW/cm22 2
和100mW/cm 之间。在某些实施例中，该紫外线的强度可以为0.1mW/cm 左右或者为2mW/
2
cm 左右。利用紫外线处理的时间直至48小时，例如30秒钟、1分钟、5分钟、15分钟、30分钟、1小时、5小时、10小时、24小时、36小时以及48小时。
和100mW/cm 之间。在某些实施例中，该紫外线的强度可以为0.1mW/cm 左右或者为2mW/
2
cm 左右。利用紫外线处理的时间直至48小时，例如30秒钟、1分钟、5分钟、15分钟、30分钟、1小时、5小时、10小时、24小时、36小时以及48小时。
[0018] 在一个实施例中，该方法还包含在对该种植体表面进行处理之前对该种植体表面进行加工。可以通过物理的过程或者化学的过程对该种植体表面进行加工。物理过程可以是机械加工或者喷砂处理。化学过程可以是利用酸或者碱来进行蚀刻。该酸可以是硫酸。经过加工的表面能带上正电荷。紫外处理增强经过加工的表面的正电性。
[0019] 在某些实施例中，该经过处理的表面包含金属氧化物阳离子。该金属氧化物阳离子可以是氧化钛阳离子。
[0020] 在一个实施例中，该经过处理的种植体表面可以吸引蛋白质，像牛血清白蛋白、第五组分、和牛血浆纤连蛋白。在一个实施例中，该经过处理的种植体表面可以吸引细胞，像人体间充质干细胞和成骨细胞。该蛋白质或者细胞可以直接附着在该经过处理的种植体表面，例如，不通过二价的桥连阳离子。在一个实施例中，该经过处理的钛表面不含有二价阳2+ 2+ 2+
离子，像Ca 、Mg 、Zn 等。
离子，像Ca 、Mg 、Zn 等。
[0021] 该经过处理的种植体表面可以增强在植入位置上的组织-种植体的整合和/或骨-种植体的整合。与未经处理过的种植体表面相比，该经过处理的种植体表面提高了骨形成能力。该该种植体表面能够实现以下的任意一项功能或者它们的组合：增加蛋白质的吸附；增加成骨细胞的迁移；增加成骨细胞的附着；增加成骨细胞的铺开；增加成骨细胞的增殖；以及促进成骨细胞的分化。
[0022] 上述的方法能用来提高种植体的成骨活性、提高种植体的骨形成(osteoconductive)活力、以及增强组织-种植体的整合以及骨-组织的整合。
[0023] 这里提供的是一种医疗种植体，它包含按照上述方法实现功能化的表面。
[0026] A新加工的钛圆片立即使用、圆片老化4周(储藏在黑暗的环境条件中)、以及圆片老化4周并经紫外线处理过的，对牛血清白蛋白在培育2小时后、4小时后和72小时后的吸附率的平均值±标准差。
[0027] B人体间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)在3小时的培育期内通过8μm孔迁移到不同条件下的酸蚀刻钛圆片上的数量。
[0028] C接种3小时和24小时后，利用WST-1方法检测来评估人MSCs在钛圆片上的附着。显示的数据为全部小组(n＝3)的平均值±标准差。
[0029] 图2显示接种3小时后，人体间充质干细胞(MSCs)在不同条件的经过酸蚀刻的钛表面上的初始铺开和细胞骨架的排列：新加工的表面、老化4周的表面、和紫外线处理过的老化4周的表面。
[0030] A为代表性的细胞的用若丹明毒伞素(rhodamine phalloidin)对肌动蛋白丝染色(actin filaments)(红色)、桩蛋白抗体(anti-paxillin)(绿色)、或者它们的组合的同焦点显微图像。
[0031] B利用这些图像进行细胞形态测定法(Cytomorphometric)评估。数据为平均值±标准差(n＝10)。
[0032] 图3显示利用生物力学推入试验(biomechanical push-in test)评估，与老化4周的表面相比，新加工的、经紫外处理过的酸蚀刻钛表面的增强了骨-钛整合。经过机械加工的和酸蚀刻、经过和未经过光处理的种植体的推入值。数据显示为平均值±标准差(n＝5)。
[0033] 图4显示在带正电荷的钛表面，增强的白蛋白吸附A和细胞附着B。
[0034] A在3小时培育期间内，白蛋白在各种钛表面上(新加工的、老化4周的、和紫外线处理过的老化4周的表面)的吸附，该表面在白蛋白培育之前经过和未经过离子处理24个小时。白蛋白培育介质的pH值调整至7或者3。
[0035] B在24小时培育期间内人MSCs在各种钛表面上的附着量。钛表面用与小组(panel)A相同的方式制备和处理。培养介质的pH值调整至7。数据显示为平均值±标准差(n＝3)。
[0036] 图5显 示 描 述 一 种 新 近 发 现 的 静 电 性 质 调 节 的 (electrostatic nature-regulated)蛋白质和细胞在钛表面上附着的简化图。左边(老化的钛)和右边(新的或者紫外线处理过的钛)呈现出憎细胞和亲细胞的表面。
[0037] 图6显示了新加工的和紫外处理过的钛表面的增加生物活性的普遍性。
[0038] A在6小时培养期间内，白蛋白在机械加工和喷砂处理过的钛圆片的新加工的、老化4周的、和紫外处理过的老化4周的表面上的吸附。数据显示为平均值±标准差(n＝3)。
[0039] B在6小时培育期间内纤连蛋白在机械加工过的钛，酸蚀刻和喷砂处理过的钛圆片的新加工的、老化4周的、和紫外处理过的老化4周的表面上的吸附。数据显示为平均值±标准差(n＝3)。
[0040] C利用推入试验对机械加工过的经过和未经过紫外处理的种植体所测得的骨-钛整合。数据显示为平均值±标准差(n＝5)。
[0041] 图7显示了紫外线诱导的对成骨细胞(osteoblast)有亲和力的钛表面。准备了制备了两张不同表面形态(topographies)的钛表面，机械加工和酸蚀刻过的表面。
[0043] B经过48小时的紫外照射后，在黑暗中的钛表面超亲水性状态的减低停止了。
[0044] C，D蛋白质在经过和未经过紫外预处理的钛表面上的吸附率。白蛋白(C)和纤连蛋白(D)在钛表面上培养2、6、和24个小时。
[0045] E在3个小时和24个小时的培育之后，成骨细胞附着在经过和未经过紫外预处理的钛表面上的相对数目，利用WST-1比色法(WST-I colorimetry)来评估。
[0046] F，G钛对于蛋白质和成骨细胞的亲和力随紫外线处理时间长短的变化图。钛表面对白蛋白的吸附率(F)和成骨细胞的附着率(G)结合紫外线预处理的小时数作图。小组C-G的数据显示为平均值±标准差(n＝3)，在经过紫外线处理的和未经过紫外线处理的** *对照物之间，数据是统计学显著的，分别为 p＜.01，p＜.05。
[0047] 图8显示成骨细胞在紫外处理过的钛表面上的初始行为。
[0048] A在经过和未经过紫外线预处理的钛表面上初始的成骨细胞的铺开和细胞骨架排列。用DAPI对细胞核(蓝色)和若丹明毒伞素对肌动蛋白丝(红色)(顶上的小组)的双染色法接种3小时后，拍摄了成骨细胞的同焦点显微图像。条宽10μm。利用图像(底下的直方图)进行细胞形态测定评估。数据显示为平均值±标准差(n＝6)，在经过紫外线处*理的和未经过紫外线处理的对照表面之间，数据在统计上显著，p＜.05。
[0050] C在培养的第2天，通过每单位细胞的溴脱氧尿核苷(BrdU)掺入(BrdUincorporation per cell)评估成骨细胞在钛底物上的细胞增殖活性。小组B和C的数据显示为平均值±标准差(n＝3)，在经过紫外线处理的和未经过紫外线处理的对照物之间，** *
数据在统计上显著，分别为 p＜.01，p＜.05。
数据在统计上显著，分别为 p＜.01，p＜.05。
[0051] 图9显示在紫外线处理过的钛表面上提高的成骨细胞表型以及促进的分化作用。
[0052] A紫外促进的碱性磷酸酯酶(alkaline phosphatase，ALP)活性，成骨细胞的早期制造者。顶上的小组显示在钛底物上培养了10天的ALP染色的成骨细胞图像。显示了ALP-阳性面积作为培养面积的百分比(底下左边的直方图)。还显示了比色法定量的ALP活性以每单位细胞标准化的(底下右边的直方图)。
[0053] B成骨细胞的矿化能力(后期制造者)。顶上的小组显示培养了14天的用von Kossa矿化结节染色的成骨细胞的图像。显示了von Kossa-阳性面积作为培养面积的百分比(底下左边的直方图)。还显示了利用基于比色法测定的总钙沉积量(底下右边的直方图)。
[0054] C，D骨相关的基因在经机械加工过的(C)和酸蚀刻过的(D)钛表面上的成骨细胞培养物中的表达。成骨细胞在经过和未经过紫外线处理的钛上培养，基因表达采用逆转录酶-聚合酶链反应(RT-PCR)半定量评定。有代表性的电泳图像显示在顶上。基因表达的定量水平相对于GAPDH的mRNA表达水平显示在底下。C：未经过处理的对照。UV：经过紫外线处理的。小组A-D的数据显示为平均值±标准差(n＝3)，在经过紫外线处理的和未经** *过紫外线处理的对照物之间，数据在统计上显著，分别为 p＜.01，p＜.05。
[0055] 图10显示通过生物力学的推入试验来评估的紫外线促进的骨-钛整合。经过和未经过紫外线处理的，机械加工过的和酸蚀刻过的种植体的推入值。数据显示为平均值±标准差(n＝5)，在经过紫外线处理的和未经过紫外线处理的对照物之间统计上显著，分别** *为 p＜.01，p＜.05。
[0056] 图11显示紫外线促进的种植体周围(peri-implant)的骨生长。显示了有代表性的酸蚀刻钛种植体的组织图像(histological images)，使用Goldner三铬染剂(Goldner′s trichrome stain)，小组A-D原来的放大倍数为40倍，小组E-H原来的放大倍数为200倍，小组I-L原来的放大倍数为400倍。注意到在第2周紫外线处理的种植体伴随有强有力的骨形成，它阻止了软组织插在骨与种植体之间(F中的箭头)，导致骨直接沉积在种植体表面上(J中的箭头)。相反，在未经处理的对照物周围的骨看上去是碎片状的(E)，牵涉了软组织迁移到骨与种植体的表面之间，干扰了直接的骨-种植接触的建立(I中的箭头)。在种植体界面上骨的形态发生(morphogenesis)的这样的区别在第4周的分段上(小组G，H)也可以清楚地看到。在紫外处理过的种植体周围(H，L)表明沿着种植体表面有大范围的骨铺开而没有软组织插入，而在未经过处理的种植体周围的骨大部分被软组织远离种植体表面(G和小组K中的箭头)。显示了(n＝4)骨-种植接触的平均组织形态计量值(M)，近程区(proximal zone)中的骨体积(bone colume)(N)，远程区(distant zone)的骨体积(O)，以及软组织的插入(P)。在经过紫外线处理的和未经过紫外线处理的** *对照物之间，结果在统计上显著，分别为 p＜.01，p＜.05。
[0057] 图12显示紫外线诱导的钛的表面特性变化与它们的生物效果的关系。
[0058] A机械加工过的和酸蚀刻过的钛表面的X射线衍射(XRD)图谱，以及TiO2纯金红石结构(rutile structure)的XRD图谱，和通过分别加热至923K和673K形成的金红石和锐钛矿(anatase)组合结构的XRD图谱。
[0059] B机械加工过的和酸蚀刻过的钛表面的光吸收图谱。
[0061] D小组C中XPS的Ti2p峰的近视图。
[0062] E-G在紫外线照射不同时间后，酸蚀刻钛表面的Ti2p(E)、O1s(F)和C1s(G)的XPS谱线形状的变化。
[0063] H用不同时间紫外处理后，酸蚀刻钛表面原子百分比的变化。
[0065] J培养3个小时后的成骨细胞附着率对照酸蚀刻过的钛表面的碳原子百分比绘图，显示出明显的逆指数相关性。
[0066] K，L白蛋白吸附率(K)和成骨细胞附着率(L)对照酸蚀刻过的钛表面的水接触角绘图，表明他们之间无明显的相关性。
[0067] M一种提议TiO2光功能化的概略描述，说明生物亲和力TiO2表面的光生作用(photogeneration)加速和提高了蛋白质的吸附，以及成骨细胞的附着和迁移。
[0068] 图13显示附着在用紫外线经不同处理的钛表面上的细胞数。
[0069] 发明的详细描述
[0070] 具有金属表面的医疗种植体
[0071] 这里提供的是一种医疗种植体，它包含金属表面，其特征在于，该金属表面包含带正电荷的金属氧化物。该金属可以是钛、金、铂、钽、铌、镍、铁、铬、钴、锆、铝和钯。在某些实施例中，该金属表面包含金属氧化物阳离子。
[0072] 钛表面
[0073] 一直以来认为钛表面是带负电荷的，因此阳离子像Ca2+与钛表面发生反应。同时绝大多数的蛋白质和生物细胞在生理条件下是带负电荷的，它们可能会被钛表面排斥。
[0074] 钛种植体作为再造支抗(reconstructive anchor)被用于整形外科和牙科的疾病和疑难问题。种植体的成功锚固(anchorage)取决于骨头直接沉积在钛表面上的量级而没有软组织/结缔组织的插入。这个称之为“骨-种植体整合(bone-implant integration)”或者“骨内整合(osseointegratiom)”。在这个概念的基础上目前已经开发出了牙科和整形外科钛种植体，并被称为“骨内整合种植体”。但是，被骨头覆盖的全部种植体面积(骨-钛接触百分比)维持在45±16％，即50-75％，远低于理想值100％。大部分种植体的失败是由于骨-种植体界面建立得不完全，或者骨-钛界面或早或晚发生了破坏性的变化。骨组织没有在种植体周围完全地形成的原因不详。
[0075] 1997年发现了紫外线诱导的氧化钛(TiO2)的超亲水性(superhydrophilicity)。半导体氧化物的光化学反应(包括产生超亲水性)引起环境科学和清洁能源科学相当大和广泛的兴趣。高度亲水的钛表面的光产生被认为是由于光处理改变了亲水相的表面结构。
4+
在这个模型中，光处理造成在桥连位点上的表面氧空穴，结果使相应的Ti 位点转变成有
3+
利于吸附离解水的Ti 位点。
4+
在这个模型中，光处理造成在桥连位点上的表面氧空穴，结果使相应的Ti 位点转变成有
3+
利于吸附离解水的Ti 位点。
[0076] 本发明者业已发现1)新加工的钛表面带有正电荷；2)利用紫外线处理老化的钛表面使表面带正电荷，并且利用紫外线处理新加工的钛表面增强它们的正电性，3)这些带正电荷的表面是亲蛋白质和亲细胞的，与未经紫外线处理的老化钛表面相比，表现出吸引蛋白质和细胞的特征显著提高；4)这个新发现的以及创造的蛋白质和细胞的附着机理使得蛋白质和/或细胞与钛表面之间的直接相互作用成为可能，而且不需要桥连二价阳离2+
子，像Ca 。该新表面和生物机理可以将其从钛种植体领域中已被认可的生物过程区分开来。由于增强的蛋白质吸附和细胞附着，所得到的钛表面已经被证明呈现出显著提高的细胞整合和再生能力。
子，像Ca 。该新表面和生物机理可以将其从钛种植体领域中已被认可的生物过程区分开来。由于增强的蛋白质吸附和细胞附着，所得到的钛表面已经被证明呈现出显著提高的细胞整合和再生能力。
[0077] 紫外线处理可以在通常的环境空气条件下进行而无需准备任何配置氛围，像真空或者加惰性气体。假定对钛或者含钛金属进行紫外线处理的结果是激发电子从钛原子的价带(valence band)进入导带(conduction band)，导致在钛的表面层中形成空穴(positive hole)，并且在其表面上产生正电荷。为了发生电子激发，紫外线的能量需要有3.2eV，这相当于大约365nm的波长，称为紫外线A段(UVA)。相反，在其峰值波长小于260nm的紫外线C段(UVC)实施烃的直接分解。这种除碳促进了UVA穿透钛表面以及提高了产生正电性的效率，最终加速和增强了所产生的正电荷的暴露(exposure)。
[0078] 不受任何理论的束缚，采用了UVA(约340nm至约380nm)与UVC(约170nm至约270nm)的组合。
[0079] 通过紫外线处理的钛介导对骨-钛整合的增强证明是真正的。例如，酸蚀刻(Acid-etched)种植体的生物力学支抗(biomechanical anchorage)在愈合早期阶段第2周提高了多达3倍以上。在同样的动物模型中，在愈合的第8周获得了推入(push-in)值这个3倍的提高。换言之，紫外线处理过的酸蚀刻种植体在2周时所获得的推入值等于未经处理过的酸蚀刻种植体在8周时所获得的推入值，表明紫外线处理过的表面完成骨-钛整合的速度要快4倍。紫外线增强的钛使骨-钛建立在几乎没有软组织插入的直接接触实现了最佳的水平(事实上100％)。这些在活体内的成绩可能是由于在紫外线处理过的钛表面上所发生的下述生物过程：(1)增加了蛋白质的吸附，(2)增加了成骨细胞的迁移，(3)增加了成骨细胞的附着，(4)促进了成骨细胞的铺开，(5)增加了成骨细胞的增殖，以及(6)促进了成骨细胞的分化。
[0080] 这些过程可能是，或者可能不是相互独立的。例如，蛋白质吸附的增加可能通过蛋白质与细胞整合素之间增强的相互作用已经促进了成骨细胞的附着。成骨细胞分化的增加可能由于细胞与细胞之间相互作用的增加已经使得分化受到了促进。
[0081] 因为经紫外线处理过的表面增加了纤连蛋白(fibronectin)的吸附，其他带有与RGD结合的整合素的细胞可能也被吸引到表面上来。有趣的是，在紫外线处理过的钛的周围，软组织的插入显著地减少了。
[0082] 为了更快地生成更多的骨，必须克服成骨细胞增殖与分化速率之间的逆相关。这个适用于骨在钛种植体周围的形成。例如，微粗糙化的钛表面优于机械加工过的光滑表面，微粗糙化的钛表面不仅增加了组织-钛的力学连锁(mechanical interlocking)而且促进了成骨细胞的分化，结果导致更快的骨的生成。但是，与减弱的成骨细胞的增殖相一致，骨质(bone mass)要低于机械加工过的表面周围的骨质。与较光滑的机械加工过的表面相比，酸蚀刻粗糙化的表面降低了细胞密度和增殖活性。底物材料较粗糙的表面通常使细胞增殖减少，那里细胞内的张力可能与细胞周期的G1期进展迟延或者甚至限制相联系。细胞在紫外线处理过的表面上加快铺开可能指示出细胞内张力减轻了。细胞增殖只通过针对细胞周期的S期的BrdU掺入试验(BrdU incorporation assay)来加以评估。
[0083] 鉴别在细胞周期的各期内的细胞，它们的形状以及细胞内张力的分析有助于确定紫外线处理过的表面对调整成骨细胞增殖有什么作用。业已发现，成骨细胞的增殖速率增加了以及从ALP活性的结果看出的成骨细胞的分化速率以及基因表达稍有提高。这表明了经紫外线处理过的表面能够增加成骨细胞的增殖而不会牺牲它的分化。这个生物的优点在组织形态计量(histomorphometric)结果中得到了清楚的证明，它显示出在经紫外线处理过的表面周围的骨体积大约增加了两倍。
[0084] 紫外线介导的细胞附着和分化以及骨-种植体接触百分比的增强在沉积的经热处理产生锐钛矿(anatase)TiO2晶体的四异过氧化钛上得以证实。本发明揭示了，甚至在未经钛氧化物沉积或者烧结的钛块(titanium bulks)的表面上可以获得光诱导的生物效应。
[0085] 另一个值得注意的发现是，本发明所获得的骨-种植体接触的增加要比采用锐钛矿TiO2晶体的更加显著，报告了24小时紫外线处理的种植体的骨-种植体接触为28％，未经紫外线处理的为17％。本研究中，紫外线处理48小时使愈合初期的第2周骨-种植体接触提高了2.5倍。紫外线处理的强度、波长、和持续的时间、以及所采用的钛的表面化学的差异对于不同的生物效应都有影响。在进行体内研究之前确认了需要48小时的紫外线处理以在机械加工表面和酸蚀刻表面上形成超亲水性，并且确认了，生物效应像细胞附着能力的增加是发生在紫外线处理的24个小时至48小时之间的期间内。
[0086] 由加速的和增强的蛋白吸附与细胞附着所体现出来的光生的生物效应与超亲水性的形成与原子碳百分比的降低有关。为了确定这些物理化学的变化是否因TiO2的光催化现象所引起，必须对本研究中所采用的钛的表面进行仔细的表征。在所采用的钛样品中发现了300-350nm的吸收带，这在TiO2半导体上是典型可见的。机械加工过的表面和酸蚀刻表面的XPS图谱揭示出在约458.5eV处有一个2p3/2峰，而不是在453.8eV处(图6D)；已知Ti和TiO2的2p3/2峰分别位于453.8eV处和458.5eV处。此外，对任一个钛圆片在较低能3+ 0
量的区域都未观察到归因于像Ti 和/或Ti 的减少形式所产生的肩峰。这些数据表明，这些底物的近表面被完全氧化形成了化学计量的TiO2薄层，还表明伴随着紫外线照射量的增加碳百分比的减少是由于光催化的除烃反应。并且，数据显示，与机械加工过的表面相比，酸蚀刻表面的2p3/2峰稍微向较高角度方向位移，这表明酸蚀刻表面被一较厚的氧化层所覆盖。这可能解释了酸蚀刻表面为什么具有较强的响应紫外线的物理化学变化。
量的区域都未观察到归因于像Ti 和/或Ti 的减少形式所产生的肩峰。这些数据表明，这些底物的近表面被完全氧化形成了化学计量的TiO2薄层，还表明伴随着紫外线照射量的增加碳百分比的减少是由于光催化的除烃反应。并且，数据显示，与机械加工过的表面相比，酸蚀刻表面的2p3/2峰稍微向较高角度方向位移，这表明酸蚀刻表面被一较厚的氧化层所覆盖。这可能解释了酸蚀刻表面为什么具有较强的响应紫外线的物理化学变化。
[0087] 是烃的水平，而非亲水性的水平，与蛋白吸附和细胞附着强烈相关。鉴于这项发现，在种植时吸附在TiO2上的烃的数量看来是决定成骨细胞初始亲和力水平，进而显示出在体内骨形态形成的差别，以及决定骨-钛整合程度的关键。与经紫外线处理的表面相比，在对照钛表面上蛋白吸附和附着上去的细胞数量甚至在延长的孵化期仍然是低的，暗示了初始生物环境会造成相当长期的影响。目前用于临床和实验的钛种植体被发现含有烃类污染物。在周围环境条件下，有机分子，尤其是那些带羰基部分的有机分子不断积累在钛表面上被认为是不可避免的。这可能解释了如前所述的较低的骨-钛的接触结果(45-47％)。本发明用实例说明，通过用紫外线处理钛种植体，可以将骨-种植体的接触提高到几乎达
100％。
100％。
[0088] 受试的蛋白质和成骨细胞是带负电荷的。当覆盖住TiO2表面的含氧烃类被紫外4+
线处理除去时，Ti 位点被暴露出来。这个可能促进了蛋白质和细胞、及与这样的阳离子位点之间的相互作用。图6M提出了伴随烃类光分解产生有生物亲和力的TiO2表面过程的示意图。
线处理除去时，Ti 位点被暴露出来。这个可能促进了蛋白质和细胞、及与这样的阳离子位点之间的相互作用。图6M提出了伴随烃类光分解产生有生物亲和力的TiO2表面过程的示意图。
[0089] 已经在牙科和整形外科领域的骨种植治疗上作了许多努力，使失败率减少到最低程度，减少发病率以及使术后功能最大化。一个问题是，为了康复放置的种植体面朝着再生趋势和代谢活动有缺陷的骨，它们特定地延缓或者妨碍骨-钛的整合过程。另一个问题是在某些植入手术中采用了丙烯酸骨粘固粉，这就固有限制了生物相容性以及长期的种植体预测。有不采用粘固粉植入的趋势以避免骨粘固粉的并发症。这些流行病学的，外科的，以及社会的问题强有力地证明了开发具有更大通用性和更好的寿命可预见性的新的植入疗法是正确的。本发明呈现的利用紫外线对钛进行物理化学的改性所获得的主要利益是，在早期愈合阶段该种植物的支抗是3倍的坚固，这相当于骨-钛整合的建立有4倍的加速。考虑到紫外线对提高骨内整合能力的影响在机械加工过的以及酸蚀刻表面上进行了示范，可以预期将该项技术延伸到其他类型的表面上，它们包含了目前可用的钛种植体的大部分。由于该技术的简单，高效以及低成本，它在牙科，颌面和整形(orthopedic)植入疗法中有着直接和广泛的用途。
[0090] 这里提供的是一种使医疗种植体实现功能化的方法，它包含(1)提供种植体表面，以及(2)对该种植体的表面进行处理使该表面带正电荷或者增加表面的正电荷。在某些实施例中，该方法使该表面在生理条件下带上正电荷。该生理条件下的pH值可以为7左右。在某些实施例中，该方法使该表面在pH值小于或者大于7的条件下带上正电荷。
[0091] 在一个实施例中，种植体具有钛表面。在一个实施例中，该种植体还包含载体材料，它可以是金属的或者是非金属的。该钛表面包含TiO2。在某些实施例中，该经处理的表面实质上不含烃。在某些实施例中，该经处理的表面包含氧化钛阳离子。
[0092] 钛表面上的碳原子百分比可以减小至20％以下，相比而言，其在未经处理的老化钛表面上约高于50％。
[0093] 种植体表面接受紫外线对它的照射处理。该紫外线可以通过紫外灯来照射。该紫外线的波长可以为约10nm-400nm。在某些实施例中，该紫外线的波长可以为约170nm-约270nm，或者约340nm-约380nm。在某些实施例中，该表面接受波长为约170nm-约270nm的紫外线与约340nm-约380nm的紫外线的组合对它的照射处理。
[0094] 该紫外线可以具有宽的强度范围。例如，该紫外线的强度范围可以在0.001mW/cm22 2
和100mW/cm 之间。在某些实施例中，该紫外线的强度可以为0.1mW/cm 左右或者为2mW/
2
cm 左右。
和100mW/cm 之间。在某些实施例中，该紫外线的强度可以为0.1mW/cm 左右或者为2mW/
2
cm 左右。
[0095] 利用紫外线处理经的时间直至48小时，例如30秒钟、1分钟、5分钟、15分钟、30分钟、1小时、5小时、10小时、24小时、36小时以及48小时。
[0096] 在一个实施例中，该方法在对该种植体表面进行处理之前还包含对该种植体表面进行加工。可以通过物理的方法或者化学的方法对该种植体表面进行加工。物理方法可以是机械加工或者喷砂处理。化学方法可以是利用酸或者碱来进行蚀刻。该酸可以是硫酸。可以让经加工的表面带上正电荷。紫外线处理可以增强表面的正电性。
[0097] 在一个实施例中，该经处理的种植体表面能够以增强的速率吸引蛋白或者细胞。这里所说的“增强的速率”指的是该经处理的种植体表面吸引细胞或蛋白的速率高于相应的未经处理的种植体表面。该未经处理的种植体表面包括新加工的表面以及加工好又已经老化了一段时间，像1天、3天、1周、2周、3周、4周等的“老化的”表面。增强的速率可以是5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、
200％、300％、400％等高于相应的未经处理的表面吸引蛋白或者细胞的速率。
200％、300％、400％等高于相应的未经处理的表面吸引蛋白或者细胞的速率。
[0098] 这里所用的术语“增强”可以与术语“改善”或者”增加/提高”互换着使用。增强指的是一种量做的更快，更强，或者更高。
[0099] 蛋白可以是牛血清白蛋白，第五组分，和牛血浆纤连蛋白。细胞可以是人体间充质干细胞和成骨细胞。该蛋白或者细胞可以直接附着在该经处理的种植体表面，例如不通过2+ 2+
二价的桥连阳离子。在一个实施例中，该经处理的钛表面不含有二价阳离子，像Ca 、Mg 、
2+
Zn 等。
二价的桥连阳离子。在一个实施例中，该经处理的钛表面不含有二价阳离子，像Ca 、Mg 、
2+
Zn 等。
[0100] 该经处理的种植体表面可以增强在植入位置上的组织-种植体的整合和/或骨-种植体的整合。与未经处理过的种植体表面相比，该经处理的种植体表面的成骨能力有所提高。与相应未经处理过的种植体表面相比，该经处理的种植体表面可以增强组织-种植体整合，骨-种植体整合，或者成骨活性的百分比有如5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、200％、300％、400％、500％等。
[0101] 经处理的种植体表面能够比未经处理的表面实现以下的任意一项：增加蛋白的吸附、增加成骨细胞的迁移、增加成骨细胞的附着、增加成骨细胞的铺开、增加成骨细胞的增殖、以及促进成骨细胞的分化作用。各种活性的每一项都可增加的百分比有如5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、200％、
300％、400％、500％等。
300％、400％、500％等。
[0102] 这里提供的是一种种植体，它按照上述方法实现功能化。在一个实施例中，该医疗种植体包含钛的表面。该钛的表面包含带正电荷的TiO2。在一个实施例中，该钛的表面实质上不含烃。
[0103] 该种植体还包含载体材料。在一个实施例中，该载体材料是金属的。在一个实施例中，该载体材料是非金属的。
[0104] 该种植体表面能够以增强的速率吸引蛋白或者细胞。这里所说的“增强的速率”指的是该种植体表面吸引细胞或蛋白的速率高于不带正电荷的或者带有较少正电荷的表面。增强的速率可以是5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％、70％、
80％、90％、100％、200％、300％、400％、500％等高于相应的不带正电荷的或者带有较少正电荷的表面的速率。
80％、90％、100％、200％、300％、400％、500％等高于相应的不带正电荷的或者带有较少正电荷的表面的速率。
[0105] 该种植体表面能吸引蛋白，像牛血清白蛋白、第五组分、和牛血浆纤连蛋白。该种植体表面能吸引细胞，像人体间充质干细胞和成骨细胞。
[0106] 该种植体表面能增强组织-种植体的整合和/或骨-种植体的整合。与不带正电荷的或者带有较少正电荷的表面相比，该种植体表面可以有如5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、200％、300％、400％、500％等的百分比增强组织-种植体整合、骨-种植体整合、或者成骨活性。
[0107] 该种植体表面能够比不带正电荷的或者带有较少正电荷的表面实现以下的任意一项：增加蛋白的吸附，增加成骨细胞的迁移，增加成骨细胞的附着，增加成骨细胞的铺开，增加成骨细胞的增殖，以及促进成骨细胞的分化作用。各种活性的每一项可增加的百分比有如5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，60％，70％，80％，90％，100％，200％，300％，400％，500％等。
[0108] 这里提供的是呈现出增强的生物活性，吸引蛋白质和生物细胞的新颖钛表面。该钛表面带有正电荷，这是通过将钛的新鲜层暴露在紫外线下和/或利用紫外线处理该表面来产生正电荷的。暴露新鲜的钛层包括新近加工表面，像机械加工、蚀刻、喷砂处理、和它们的组合、以及重新加工老化的表面。因为简单、高效、而且不昂贵，本发明在牙科、整形外科种植体以及骨再生疗法和骨工程领域有着直接广泛的用途。
[0109] 业已发现对钛进行紫外线处理增强了其骨传导(osteoconductive)能力。考察了钛经紫外线处理对于各种体外行为的影响、以及成骨细胞在钛底物上的功能和在体内的骨-钛整合潜能、以及在经紫外线处理的钛表面导致骨传导活性(osteoconductivity)的增强的因素。
[0110] 这里提供的是一种增强钛的骨传导能力的方法，以及利用这个方法制成的具有增强的骨传导活性的钛表面。机械加工过的和酸蚀刻过的钛样品被用来在直至48小时的各时间段进行紫外线处理。对于这里两种表面，紫外线处理提高了鼠骨髓衍化的成骨细胞的附着、铺开、增殖、和分化的速率以及蛋白吸附能力多至3倍。鼠模型中的体内组织形态计量(histomorphometry)揭示出在经紫外线处理的种植体上广泛地出现骨形成而且基本上没有软组织的插入，使得骨-种植体接触在愈合第4周达到最大化，几近100％。
[0111] 种植体生物力学试验揭示出紫外线处理4倍加速了建立起种植体的固定。蛋白吸附率和细胞附着率与对紫外线照射剂量敏感的TiO2上的碳的原子百分比有力地相关，但与亲水状态并不有力地相关。数据表明，钛的紫外线预处理随着紫外线催化的连续地从TiO2表面上除去烃类显著地增强了其骨传导能力，暗示了钛的光致功能化(photo-functionalization)使得更迅速和更完全地实现骨-钛整合成为可能。
[0112] 钛表面经紫外线的处理显著地提高了它的骨传导能力。在经紫外线处理的种植体上广泛地出现新骨形成而且基本上没有软组织的插入，使得骨-种植体接触在愈合第4周达到最大化，几近100％；而未经处理的种植体的骨-种植体接触维持在50％左右。紫外线处理在愈合第2周时提高了骨-钛整合的强度3倍以上。经紫外线处理的表面提供了与成骨细胞有亲和性的环境，这通过成骨细胞的附着、铺开、增殖、和分化的增强、以及蛋白吸附的增加得以证实。蛋白吸附率和细胞附着率与对紫外线照射剂量敏感的TiO2上的碳的原子百分比有力地相关，但与亲水状态并不有力地相关。这种紫外线介导的钛生物活性的增强在机械加工过的和酸蚀刻过的表面的不同表面形态(topographies)下被得以证实。因此，这里提供了一种钛的光致功能化方法，使得更迅速和更完全地实现骨-钛整合成为可能。
[0113] 医疗种植体
[0114] 医疗种植体可以是金属的种植体或者非金属的种植体。在某些实施例中，医疗种植体是像钛种植体那样的金属种植体，例如用以替代失落掉的牙齿(牙科种植体)或者固定患病的，折断的或者移植的骨头。其他典型的金属种植体包括，但不限于钛合金种植体、铬-钴合金种植体、铂和铂合金种植体、镍和镍合金种植体、不锈钢种植体、锆，铬-钴合金，金或金合金种植体、以及铝或铝合金种植体。
[0115] 这里讲述的金属种植体包括钛种植体和非钛种植体。钛种植体包括用钛或者任何含钛合金制作的牙或者骨置换物。钛骨置换物包括，例如膝关节和髋关节假体(prostheses)，股骨颈(femoral neck)置换、脊柱置换和修复，颈骨置换和修复、颌骨修复、固定和增加、移植骨的固定、以及其他的假肢。非钛的金属种植体包括用金、铂、钽、铌、镍、铁、铬、钛、钛合金、氧化钛、钴、锆、氧化锆、镁、铝、钯、由它们形成的合金，例如，不锈钢、或者他们的组合制作的牙或者骨种植体。在某些实施例中，金属种植体可以专门排除上述的任何一种金属。
[0116] 非金属的种植体包括，例如，陶瓷种植体、磷酸钙或者聚合物种植体。实用的聚合物种植体可以是任何适合生物相容的种植体，例如生物可降解的聚合物种植体。有代表性的陶瓷种植体包括，例如生物玻璃和二氧化硅种植体。磷酸钙种植体包括，例如，羟基磷灰石(hydroxyapatite)、磷酸三钙(TCP)。典型的聚合物种植体包括，例如聚乳酸-聚乙醇酸共聚高分子(poly-lactic-co-glycolic acid，PLGA)、聚丙烯酸酯像聚甲基丙烯酸酯和聚丙烯酸酯、以及聚乳酸(PLA)种植体。
[0117] 在某些实施例中，种植体包含金属种植体和骨粘固粉(bone-cement)材料。该骨粘固粉材料可以是业内已知的任何一种骨粘固粉材料。一些有代表性的骨粘固粉材料包括，但不限于，基于聚丙烯酸酯或者聚甲基丙烯酸酯(polymethacrylate)的材料，像聚甲基丙烯酸甲酯[poly(methyl methacrylate)，PMMA)]/甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate，MMA)，基于聚酯的材料，像PLA或者PLGA、生物玻璃、陶瓷，基于磷酸三钙的材料，钙基材料、以及它们的组合。在某些实施例中，医疗种植体可以包括下述的聚合物。在某些实施例中，这里描述的医疗种植体可以专门排除上述的任何一种材料。
[0118] 术语“骨传导能力”或者“骨传导活性”指的是骨形成的能力。它也指给医疗种植体赋予增强的骨整合效力(integration capability)的能力。骨整合效力指的是医疗种植体的一种要整合到生物体的骨头里去的能力。组织整合效力指的是医疗种植体的一种要整合到生物体的组织里去的能力。
[0119] 紫外线照射
[0120] 这里所用的术语“加紫外线”可以与术语“光活化”、“光辐射”、“光照射”、“紫外线活化”、“紫外线辐射”、或者“紫外线照射”互换着使用。具有波长为从约400nm至约10nm的辐射通常被称之为紫外线(UV)。
[0121] 医疗种植体可灭菌下或不灭菌下照射。对于本领域的常规技术人员，医疗种植体可以在UV辐射的过程中灭菌。
[0122] 本发明的一个方面提供了一种照射医疗种植体的设施或装置。在一个实施例中，该设施或装置包括一个放置医疗种植体的室、一个高能辐射源和一个接通或者切断照射的开关。该设施或装置还可以包括一台定时器。在某些实施例中，该设施或装置还可以包括一台机械装置使医疗种植体或者紫外线照射源转动或旋转以全方位地照射种植体。或者，放置医疗种植体的室可以具有一个反射面，以至于射线可以从不同的角度，例如360度角指向医疗种植体。在某些实施例中，该设施或装置可能包括增强的骨-整合能力，例如多次照射、射线滤过(radio-lucent)的种植体包装、包装和发运的保存装置。
[0123] 医疗用途
[0124] 这里所提供的医疗种植体可以通过将该医疗种植体植入哺乳类对象体内用于治疗、预防、改善、矫正、或者减轻医疗状况的症状。哺乳类对象可以是人类或者兽医的动物，像狗、猫、马、奶牛、公牛、或者猴子。
[0125] 有代表性的可以采用在此提供的种植体来治疗或预防的医疗状况包括，但不限于，与牙齿或骨头失落有关的医疗状况，像股骨颈骨骨折、掉牙、与需要口腔正畸支抗(orthodontic anchorage)或者骨头有关的医疗状况，像股骨颈骨折、颈骨折、腕骨折、脊柱骨折/功能障碍或者脊柱盘移位、骨折或者关节的退行性改变，像膝关节炎、骨头和其他由功能障碍或者身体条件，像肿瘤、受伤、全身的代谢、感染或者老化、以及它们的组合所引起的组织缺损或退缩。
[0126] 在某些实施例中，这里提供的医疗种植体可以用于治疗、预防、改善、或者减轻医疗状况的症状，像掉牙、与需要口腔正畸支抗或者骨头有关的医疗状况，像股骨颈骨折、颈骨折、腕骨折、脊柱骨折/功能障碍或者脊柱盘移位，骨折或者关节的退行性改变，像膝关节炎、骨头和其他由功能障碍或者身体条件，像肿瘤、受伤、全身的代谢、感染或者老化、以及它们的组合所引起的组织缺损或退缩。
[0127] 虽然已经展示和描述了本发明的具体实施例，但对于业内人士显而易见的是可以进行改变和修饰而不脱离本发明更广的方面。因此，后附的权利要求项是要将所有这样的属于本发明的真正精神和范围的改变和修饰包括在它们范围内。实施例
[0128] 钛样品，表面分析和紫外线处理
[0129] 准备了两种类型的市售纯钛表面用于圆柱形的种植体(直径1mm，长2mm)和圆片(直径20mm，厚度1.5mm)。一个具有车床车过的表面，另一个用67％的硫酸在120℃下蚀刻75秒钟。此外还准备了机械加工过的表面和喷砂处理过的表面。所有的表面都经分光光度计(spectrophotometer，UV-2200A，Shimadzu公司出品，日本东京)和X射线衍射仪(XRD)(XRD-6100，Shimadzu公司出品，日本东京)分别测定它们的光学性质和晶体结构。钛表面的亲水状态用接触角仪(CA-X，Kyowa Interface Science公司出品，日本东京)测量1μl水滴的接触角来检验。所有的操作步骤都在清洁度为10级的室内进行，控制条件为20℃，湿度为46％。
[0130] 钛表面的化学成分利用化学分析用电子谱法(electron spectroscopy for -7chemical analysis，ESCA)来测定。ESCA是在高真空(6x10 pa)条件下利用X射线光电子光谱法(XPS)(ESCA3200，Shimadzu公司出品，日本东京)来进行。经紫外线在周围环境条件下处理过不同时间段直至48小时的钛圆片和圆柱形种植体与未经处理的对照物比较表面性质和生物潜能。紫外线处理采用一台15W的杀菌灯(东芝公司出品，日本东京)来进
2 2
行，强度约0.1mW/cm(UVA：λ＝360±20nm)和2mW/cm(UVC：λ＝250±20nm)。
2 2
行，强度约0.1mW/cm(UVA：λ＝360±20nm)和2mW/cm(UVC：λ＝250±20nm)。
[0131] 还分别采用UVA和UVC测定了钛表面的活化能力。
[0132] 紫外线处理可以在通常的环境空气条件下进行，而无需准备任何气氛，像真空或者加惰性气体。假定对钛或者含钛金属进行紫外线处理的结果是激发电子从钛原子的价带进入导带，导致在钛的表面层中形成确定的空穴(positive hole)，并且在其表面上产生正电荷。为了发生电子激发，紫外线的能量需要有3.2eV，这相当于大约365nm的波长，称为紫外线A段(UVA)。相反，在其峰值波长小于260nm的紫外线C段(UVC)实施烃的直接分解。这种除碳促进了UVA穿透钛表面以及提高了产生正电性的效率，最终加速和增强了所产生的正电荷的暴露。
[0133] 不受任何理论的束缚，采用了UVA(约340nm至约380nm)与UVC(约170nm至约270nm)的组合。
[0134] 蛋白吸附的测量
[0135] 牛血清白蛋白，第五组分(Pierce Biotechnology，Inc.公司出品，Rockford，IL)，和牛血浆纤连蛋白(Sigma-Aldrich公司出品，ST.Louis，Mo)被用作模型蛋白。利用吸移管将300毫升的蛋白质溶液(1mg/ml蛋白质/盐水)在一块钛圆片上铺开。在37℃的无菌调湿环境下，在几种不同的培养(incubation)时间段(例如，培养2、6、24、或者72个小时)之后，去除掉未粘附的蛋白，用0.9％NaCl盐水洗两遍。初始溶液和分离出的溶液的等分试样(200μl)与200μl的microbicinchoninic acid(Pierce Biotechnology，Inc.公司出品，Rockford，IL)混合，在37℃下培养60分钟。蛋白量采用全自动定量绘图酶标仪(microplate reader)在562nm处定量。
[0136] 人体间充质干细胞的培养
[0137] 人体间充质干细胞(MSCs)(Poietics，Cambrex Bio Science Walkersville公司出品，East Rutherford，NJ)在由MSC基础培养基和生长添加物(SingleQuots)构成的MSC生长介质中培养。该生长添加物含有胚胎牛血清、L-谷氨酰胺和青霉素/链霉素。细胞在37℃的调湿气氛(95％空气，5％CO2)中培养。在最后传代(passage)的80％融合率4 2
(confluency)时，利用0.25％胰蛋白酶-1mM EDTA四钠将细胞洗脱，以3x10 细胞/cm 的密度将细胞接种在钛圆片上。每三天更新培养介质。
(confluency)时，利用0.25％胰蛋白酶-1mM EDTA四钠将细胞洗脱，以3x10 细胞/cm 的密度将细胞接种在钛圆片上。每三天更新培养介质。
[0138] 成骨细胞的培养
[0139] 分离自8周大的雄性Sprague-Dawley鼠的骨髓细胞被置于α-改性的Eagle介质中，介质添加15％胚胎的牛血清、50μg/ml抗坏血酸、10mM β-甘油磷酸钠、10-8M地塞米松(dexamethasone)和抗生素/抗真菌溶液。细胞在37℃的调湿气氛(95％空气，5％CO2)4
中培养。在80％融合率时，利用0.25％胰蛋白酶-1mM EDTA四钠将细胞洗脱，以3x10 细
2
胞/cm 的密度将细胞接种在机械加工过的或者酸蚀刻过的、经过和未经过紫外线处理的钛圆片上。每三天更新培养介质。
中培养。在80％融合率时，利用0.25％胰蛋白酶-1mM EDTA四钠将细胞洗脱，以3x10 细
2
胞/cm 的密度将细胞接种在机械加工过的或者酸蚀刻过的、经过和未经过紫外线处理的钛圆片上。每三天更新培养介质。
[0140] 迁移测定
[0141] 人MSCs往钛表面的迁移利用双室迁移测定仪(345-024K，Trevigen公司出品，Gaithersburg，MD)。细胞被接种入在顶室内的培养介质中。一块钛圆片被置于底室的底部。在37℃下培养3小时后，细胞透过8μ孔径的聚酯薄膜进入底室的百分比利用全自动定量绘图酶标仪在用钙黄绿素-AM(calcein-AM)染色后进行分析。
[0142] 细胞附着，密度和增殖测定
[0143] 通过测量细胞在培育3小时和24小时后附着在钛底物上的细胞量来评估初始的细胞附着。另外，繁殖的细胞以培养第2天和第5天时的细胞密度来定量。这些定量过程采用基于WST-1的比色法(colorimetry)(WST-1，Roche Applied Science公司出品，Mannheim，Germany)进行。培养池在37℃下用100μl的四唑鎓盐(tetrazolium salt，WST-1)试剂培育4小时。甲月替(formazan)产物的数量利用一台ELISA酶标仪在420nm处定量。细胞进一步用钙黄绿素-AM染色以在荧光显微镜下观察确认细胞密度的结果。
[0144] 细胞增殖活性通过DNA合成过程中的BrdU掺合来测量。在培养的第2天，将100μl的100mM BrdU溶液(Roche Applied Science公司出品，Mannheim，Germany)加入到培养池中培育10小时。在用胰蛋白酶作用于细胞并且使DNAs变性之后，培养物与共轭有过氧化物酶的抗BrdU一起培育90分钟，与四甲基联苯胺(tetramethylbenzidine)反应显色。利用一台ELISA酶标仪(Synergy HT，BioTek Instruments公司出品，Winooski，VT)在370nm处测量吸光度。
[0145] 细胞形态学和形态测定法
[0146] 利用同焦点(Confocal)激光扫描显微镜来检验人MSCs的形态学和细胞骨架排列。培养3小时后，细胞被固定在10％福尔马林中，用一种荧光染料，若丹明毒伞素(rhodamine phalloidin)[肌动蛋白丝红色(actin filament red color)，Molecular Probes公司出品，OR]染色。培养物也用鼠的桩蛋白抗体(anti-paxillin)单克隆抗体(Abcam公司出品，Cambridge，MA)进行免疫化学染色，接着加入异硫氰酸荧光素共轭(FITC-conjugated)的抗鼠二抗体(anti-mouse secondary antibody)(Abcam公司出品，Cambridge，MA)。利用一台图像分析仪(ImageJ，NIH公司出品，Bethesda，ML)定量评定细胞面积、周长和Feret直径。
[0147] 培养3小时后，成骨细胞被固定在10％福尔马林中，用荧光染料，DAPI(细胞核蓝色，Vector公司出品，CA)和若丹明毒伞素(肌动蛋白丝红色，Molecular Probes公司出品，OR)染色。利用同焦点激光扫描显微镜来检验细胞的形态学和细胞骨架排列。利用一台图像分析仪(ImageJ，NIH公司出品，Bethesda，ML)定量评定细胞面积，周长和Feret直径。
[0148] 碱性磷酸酶(ALP)活性
[0149] 培养的成骨细胞的ALP活性通过基于培养物面积和基于比色法的测定来检验。用Hanks溶液洗涤培养的成骨细胞两次，在37℃下用含有0.9mM萘酚AS-MX磷酸盐和1.8mM快速红(fast red)TR(fast red TR)的120mM三羟甲基氨基甲烷缓冲液(pH 8.4)培育30分钟。利用图像分析软件(Iamge Pro-plus，Media Cybernetics公司出品，Silver Spring，MD，USA)计算出[(染色的面积/圆片全面积)x100](％)作为在染色图像上的ALP阳性面积。对于比色法，培养物用dd H2O淋洗，加入250μl的磷酸对硝基苯酯(p-Nitrophenylphosphate)(LabAssay ATP，Wako Pure Chemicals公司出品，Richmond，VA)在37℃下培育15分钟。ALP活性以通过酶催化反应释放出的硝基酚的量来评估，利用一台ELISA酶标仪(Synergy HT，BioTek Instruments公司出品，Winooski，VT)在405nm波长处测量。
[0150] 矿化作用测定
[0151] 培养的成骨细胞的矿化作用能力通过矿化结节面积-和钙比色法的测定来检验。利用von Kossa染剂(von Kossa stain)来肉眼观测成骨细胞的矿化结节。培养物利用
50％乙醇/18％甲醛溶液固定30分钟。培养物用5％硝酸银在紫外线照射下培育30分钟。
用dd H20洗涤培养物两次，用5％硫代硫酸钠(sodium thiosulfate)培育2-5分钟。矿化结节的面积被定义为[(染色的面积/圆片全面积)x100](％)，它利用图像分析软件(Iamge Pro-plus，Media Cybernetics公司出品，Silver Spring，MD，USA)来测量。用比色法检测钙的沉积时，用磷酸盐缓冲溶液(PBS)洗涤培养物，在1ml的0.5M盐酸溶液中轻摇下培育过夜。将该溶液在碱性介质[钙结合缓冲剂(Calcium Binding and Buffer Reagent)，Sigma公司出品，St Louis，MO]中与间甲酚酞氨羧络合剂(o-cresolphthalein complexone)混合产生一种红色的钙-甲酚酞氨羧络合物。显色强度利用一台ELISA酶标仪(Synergy HT，BioTek Instruments公司出品，Winooski，VT)在575nm波长处测量吸光度。
50％乙醇/18％甲醛溶液固定30分钟。培养物用5％硝酸银在紫外线照射下培育30分钟。
用dd H20洗涤培养物两次，用5％硫代硫酸钠(sodium thiosulfate)培育2-5分钟。矿化结节的面积被定义为[(染色的面积/圆片全面积)x100](％)，它利用图像分析软件(Iamge Pro-plus，Media Cybernetics公司出品，Silver Spring，MD，USA)来测量。用比色法检测钙的沉积时，用磷酸盐缓冲溶液(PBS)洗涤培养物，在1ml的0.5M盐酸溶液中轻摇下培育过夜。将该溶液在碱性介质[钙结合缓冲剂(Calcium Binding and Buffer Reagent)，Sigma公司出品，St Louis，MO]中与间甲酚酞氨羧络合剂(o-cresolphthalein complexone)混合产生一种红色的钙-甲酚酞氨羧络合物。显色强度利用一台ELISA酶标仪(Synergy HT，BioTek Instruments公司出品，Winooski，VT)在575nm波长处测量吸光度。
[0152] 基因表达分析
[0153] 利用逆转录-聚合酶链反应(RT-PCR)对基因表达进行半定量分析。利用TRlzol(Invitrogen公司出品，Carlsbad，CA)和纯化柱(RNeasy，Qiagen公司出品，Valencia，CA)提取培养物中的全部RNA。在脱氧核糖核酸酶I(DNAse I)处理后，利用MMLV逆转录酶(Clontech公司出品，Carlsbad，CA)在寡(dT)引物(Clontech公司出品，Carlsbad，CA)存在下进行0.5μg的全部RNA的转录。采用前边设定的引物设计和PCR条件，利用Taq DNA聚合酶(EX Taq，Takara公司出品，Madison，WN)进行PCR反应以检测胶原I(collagen I)，骨桥蛋白(osteopontin)，和骨钙蛋白(osteocalcin)mRNA。在用溴化
3，8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶鎓(ethidium bromide)染色的1.5％琼脂糖凝胶上用肉眼检验PCR产物。在紫外线下检测和定量带强度并且参考GAPDH mRNA归一化。
3，8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶鎓(ethidium bromide)染色的1.5％琼脂糖凝胶上用肉眼检验PCR产物。在紫外线下检测和定量带强度并且参考GAPDH mRNA归一化。
[0154] 手术
[0155] 利用吸入1-2％异氟烷(isoflurane)对8周大雄性Sprague-Dawley鼠实施麻醉。在它们的腿部被刮毛和用10％聚维酮碘(providone-iodine)溶液擦洗后，通过皮肤切口和肌肉切开小心地将股骨的末梢部分暴露出来。选择末梢股骨的平面放置种植体。在离开股骨末端边缘9mm处准备好种植体的部位，利用0.8mm圆钻打洞和扩孔钻(reamers，#ISO
090和100)增大。利用无菌等渗盐水溶液大量冲洗以冷却和清洁。股骨的每一侧放置一个圆柱形种植体。然后一层层地(in layers)关闭手术部位。肌肉和皮肤分别用可吸收的缝合线缝合。加州大学洛杉矶分校(UCLA)校长的(Chancellor′s)动物研究委员会批准了该草案，所有的实验都按照美国农业部(USDA)动物研究的指南进行。
090和100)增大。利用无菌等渗盐水溶液大量冲洗以冷却和清洁。股骨的每一侧放置一个圆柱形种植体。然后一层层地(in layers)关闭手术部位。肌肉和皮肤分别用可吸收的缝合线缝合。加州大学洛杉矶分校(UCLA)校长的(Chancellor′s)动物研究委员会批准了该草案，所有的实验都按照美国农业部(USDA)动物研究的指南进行。
[0156] 种植体生物力学推入试验
[0157] 采用种植体生物力学推入试验(biomechanical push-in test)来评估骨-种植体整合的生物力学强度，该试验在别处另有描述。采集含有圆柱形种植体的股骨，将种植体水平的顶部表面植入自动聚合树脂中。利用微型CT确认该种植体在其边上和底部没有皮质骨(cortical bone)的支托。采用装有2000N负载传感器(load cell)和推杆(pushing rod)(直径＝0.8mm)的试验机(Instron 5544electro-mechanical测试系统，Instron公司出品，Canton，MA)以1mm/分钟的十字头速度给种植体垂直向下加载。通过测量负载-位移曲线的峰值来确定推入值。
[0158] 组织学制备(Histological preparation)
[0159] 采集含有酸蚀刻过的种植体并在4℃下固定在10％缓冲的福尔马林中2周。样品在升序醇(an ascending series of alcohol)漂洗中被脱水并埋在光固化环氧树脂(light-curing epoxy resin)(Technovit 7200VLC，Hereaus Kulzer公司出品，Wehrheim，Germany)中不发生脱钙作用(decalcification)。被埋起来的样品沿着垂直于圆柱形种植体经轴的方向上离种植体顶端0.5mm的部位被锯开。利用磨削系统(Exakt Apparatebau公司出品，Norderstedt，Germany)将样品磨成30μm厚。截面用Goldner三铬染剂(Goldner’s trichrome)染色，通过光学显微镜来观察。
[0160] 组织形态计量(Histomorphometry)
[0161] 采用装在计算机显示器上的一个放大40倍的透镜和一个4x变焦距镜头来进行基于计算机的组织形态计量学的测量(Image Pro-plus，Media Cybernetics公司出品，Silver Spring，MD)。为了详细鉴定组织结构，显微镜放大倍数最高用到400倍。我们以前建立了区分与种植体有关的骨头和与非种植体有关的骨头的种植体组织形态计量。根据这种方法，种植体周围的组织被分成如下的两个区域：(i)近程区(proximal zone)，种植体表面50μm以内的周围区域；和(ii)远程区(distant zone)，离开种植体50μm至200μm的周围区域。分析了以下的参数：
[0162] 骨-种植体接触(％)＝(骨-种植体接触的总长度)/(种植体的周长)x 100，式中骨-种植体接触被定义为骨组织位于种植体表面20μm以内的界面，没有任何软组织的插入。
[0163] 近程区的骨体积(％)＝(近程区中的骨面积)/(近程区面积)x 100。
[0164] 远程区的骨体积(％)＝(远程区中的骨面积)/(远程区面积)x 100。
[0165] 软组织插入(％)＝(插在骨与种植体之间的软组织的总长度)/(种植体周围的骨的总长度)x100。
[0166] 统计分析
[0167] 除了需要10个细胞样品来用细胞形态学的评估，3个样品用于细胞培养研究。进行双向ANOVA(方差分析)来检验培养时间和不同老化时间，经或者未经紫外线处理的钛表面的效果。如果需要的话，通过事后比较检验(post-hoc Bonferroni test)来检验新近加工的表面，老化4周的表面和紫外线处理过的老化4周的表面之间的差异；p＜0.05被认为在统计学上是显著的。如果在仅仅一个时间点上有数据可用，则采用单向ANOVA来确定实验组之间的差异。也采用T-检验来确定未经处理过的对照组与紫外线处理过的组之间的差异。检验了白蛋白吸附和细胞附着，与碳的原子百分比和水的接触角，之间的相关性，通过最小均方差近似法(least-squares mean approximation)确定了回归公式。
[0168] 结果
[0169] 1.蛋白在新加工的和紫外线处理过的钛表面上的吸附加速和增强
[0170] 双向ANOVA显示在被测试的实验组别中白蛋白的吸附有显著的变化(p＜0.01；图1A)：新加工的酸蚀刻表面(加工后立即)，老化4周的表面(即储藏了4周)，紫外线处理过的老化4周的表面。培育2小时后，培养物中仅10％左右的培育的白蛋白被吸附在老化4周的钛表面上，而约60％的白蛋白被吸附在新鲜的表面上(p＜0.01；Bonferroni)。
即使培育72小时后，老化4周的表面上吸附的白蛋白量要比新鲜表面少40％(p＜0.01)。
在培育2小时和24小时后，紫外线处理过的老化4周的表面上白蛋白的吸附水平与新鲜表面的相当，培育72小时后则显示出更高的水平(p＜0.05)。
即使培育72小时后，老化4周的表面上吸附的白蛋白量要比新鲜表面少40％(p＜0.01)。
在培育2小时和24小时后，紫外线处理过的老化4周的表面上白蛋白的吸附水平与新鲜表面的相当，培育72小时后则显示出更高的水平(p＜0.05)。
[0171] 2.干细胞迁移(migration)和在新加工的和紫外线处理过的钛表面上的附着增强
[0172] 人体间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)迁移穿过8μm孔的数目在不同的培养条件下发生显著的变化(p＜0.01，单向ANOVA；图1B)。在3小时的培育时间内，向老化4周的表面迁移的细胞数是在新加工的表面上所观察到的数目的50％，是在紫外线处理过的老化4周的表面上所观察到的数目的25％(p＜0.01)。紫外线处理过的老化4周的表面显示出的细胞迁移要比新鲜表面的高2倍(p＜0.01)。
[0173] 附着在钛表面上的人体间充质干细胞(MSCs)数目按照以下的顺序递增：紫外线处理过的老化4周的表面＞新加工的表面＞老化4周的表面(p＜0.01，双向ANOVA；图1C)。附着在老化4周的表面上的细胞数目要比新加工的表面上的少50％。在24个小时的时候，紫外线处理过的老化4周的表面上的细胞附着本质地高于(超过120％)新加工的表面(p＜0.01)。
[0174] 3.细胞在新加工的和紫外线处理过的钛表面上的加速铺开和细胞骨架发育[0175] 肌动蛋白丝(actin filament)染色(若丹明毒伞素)的人体MSCs在3小时培育后，低放大倍数摄取的图像显示出在紫外线处理过的老化4周的表面上的细胞数目最多，在老化4周的表面上最少，证实了来自细胞附着测定的结果(图2A)。肌动蛋白染色的高放大倍数图像揭示了，随着细胞在多个方向上铺开的过程，在新加工的和紫外线处理过的钛表面上细胞明显地变大，而在老化4周的表面上细胞维持圆形，细胞骨架少有发育。在新加工的和紫外线处理过的老化4周的表面上的细胞中观察到加强定位的桩蛋白(paxillin)，一种调节细胞附着和粘附的蛋白质。尤其是，在紫外线处理过的老化4周的表面上的细胞中观察到浓密的细胞质阳性染色。
[0176] 面积、周长、以及Feret直径的组织形态计量(Cytomorphometric)测定证实了在这三种钛表面上这些参数有显著的差异(ANOVA，p＜0.01；图2B)。对于新加工的和紫外线处理过的老化4周的表面，这些参数要比老化4周的表面大5-8倍(Bonferroni，p＜0.01)。在新加工的和紫外线处理过的表面之间并无显著差异。
[0177] 4.新加工的和紫外线处理过的钛表面上的体内骨-钛整合的增强
[0178] 在体内建立起种植体的固定是决定钛种植体作为一种承载负荷装置的临床能力最重要因素。钛种植体在体内的稳定性是通过确认在鼠模型中的种植体推入试验来检验。圆柱形的种植体被置于鼠的股骨内。通过鼠的体内模型推入值测量的骨-钛整合强度在愈合第2周的早期阶段，与老化4周的表面相比，新加工的和紫外线处理过的表面分别要高
2.8倍和3倍(p＜0.01；图3)。
2.8倍和3倍(p＜0.01；图3)。
[0179] 图3显示出，通过生物力学推入试验评估出与老化4周的表面相比，新加工的和紫外线处理过的酸蚀刻表面具有增强的骨-钛整合。
[0180] 5.新加工的钛和紫外线处理过的带正电荷的钛表面吸引蛋白质
[0181] 图4A显示出白蛋白在介质不同的pH条件下制备的钛表面上的吸附。在pH 7时吸附在未经处理的老化4周的钛表面上的白蛋白有限数量为10-15％。这是一个根据事实可以预见得到的结果，通常可以得到的钛表面以及白蛋白在这个生理pH条件下都是带负电荷的，这就阻止了钛-白蛋白的相互作用。只有当用二价阳离子，像CaCl2在白蛋白培育之前处理老化4周的表面才会增加白蛋白的吸附。这可以解释当二价钙离子沉积在带一价负电荷的钛表面时，它起到了在带负电荷的白蛋白分子与钛表面之间的桥连作用。
[0182] 相反，如前所述，在pH 7时与老化4周的表面相比，新加工的表面和紫外线处理过的表面表现出＞35％或者＞55％的高吸附率(p＜0.01；图4A中未经处理的组别)。但是，在制备的pH 3的介质中，在这些表面上的白蛋白吸附就像在老化4周的表面上一样的低。已知由于白蛋白的等电点pH值为4.7-4.9，白蛋白经历了中性-碱性过渡；在较低pH值，像pH 3时变成了带正电荷；而在高pH值，像pH 7时，白蛋白经历了中性-酸性过渡，变成了带负电荷。这些表明，新加工的和紫外线处理过的钛表面带正电荷，根据周围环境的pH值表现出不同的吸引白蛋白的特性。这些表面带正电荷的性质被一些试验进一步地证实，这些试验显示出，利用一价阴离子，像NaCl和CaCl2溶液处理这些表面，中和这些表面上存在的正电荷，结果与未经处理的老化4周表面的基线水平相比，白蛋白的吸附没有增加。
[0183] 在用这些离子处理之后，新加工的和紫外线处理过的钛表面能够维持带正电荷，并且即使在pH 3时仍能保持低的表面碳水平。这表明表面正电荷在调节钛表面的生物活性中，像蛋白质吸附、取代超亲水性的效果、以及碳水平，起到了支配性的作用。
[0184] 6.新加工的钛和紫外线处理过的带正电荷的钛表面吸引细胞
[0185] 图4B显示出人体间充质干细胞(MSCs)在以如图4A相同方法制备的各种钛表面上的附着量。
[0186] 该实验是在生理pH 7条件下进行的。预期到由于都带负电荷的钛表面与细胞之间的斥力的缘故，附着在老化4周表面上的细胞量是有限的。相反，附着在新加工的和紫外线处理过的老化表面上的细胞数目高于附着在老化4周表面上的细胞数目。在这些表面用阴离子，像Cl-处理之后，附着在新加工的和紫外线处理过的老化表面上的细胞数目下降到未经处理的老化4周表面上的基线水平。考虑到生物细胞带负电荷的已知事实，它证实了新加工的和紫外线处理过的钛表面是带正电荷的，因而造成了增强的细胞-钛相互作用。
[0187] 即使在pH 3的条件下和经了这些离子的处理之后，新加工的和紫外线处理过的钛表面仍然能够维持带正电荷和低水平的表面碳。这表明了表面正电荷支配性地调节着钛表面的生物活性，像蛋白质吸附、取代超亲水性的效果、以及碳水平。
[0188] 蛋白质和细胞附着在钛表面的机理如图5所述。图片的左边(老化的钛)显示出2+
发生在钛表面周围的机理。在该机理中，细胞的附着必须通过二价阳离子，像Ca 的桥连以吸附带负电荷的蛋白质，继而借助蛋白质的RGD序列来吸附细胞。同时注意到一价阳离子，+ + 2+
像Na 和K 的竞争结合阻挡了钛表面上结合Ca 的阴离子部位。结果，能够附着到钛表面的细胞总数受到了限制。
发生在钛表面周围的机理。在该机理中，细胞的附着必须通过二价阳离子，像Ca 的桥连以吸附带负电荷的蛋白质，继而借助蛋白质的RGD序列来吸附细胞。同时注意到一价阳离子，+ + 2+
像Na 和K 的竞争结合阻挡了钛表面上结合Ca 的阴离子部位。结果，能够附着到钛表面的细胞总数受到了限制。
[0189] 右边的机理(新鲜的或者经紫外线处理的钛)呈现出根据本试验的结果的一种新颖机理，其中，钛表面从排斥细胞转化成吸引细胞。由于新加工的和紫外线处理过的表面所带的静电正电荷，带负电荷的蛋白质和细胞直接附着在钛表面上无需二价阳离子的帮助，结果造成更多数量的细胞附着在表面上。
[0190] 7.新加工的钛和紫外线处理过的钛表面与蛋白质和细胞的高度亲和性的普遍性[0191] 除了酸蚀刻的钛表面外，检验了机械加工过的钛表面和喷砂处理过的钛表面是否有可能具有新加工的表面和紫外线处理过的表面的优势(图6A)。与新加工的表面相比，老化4周的表面显示出的白蛋白吸附仅有各相应表面组别的20-45％。紫外线处理过的老化4周的钛表面将吸附率提高到等同于通过机械加工的新加工表面吸附率的水平，或者高于通过喷砂处理的新加工表面吸附率的水平(p＜0.05)。
[0192] 发现纤连蛋白的吸附率有着相同的趋势(图6B)。对所有三种测试的表面形貌，吸附率升高的顺序是紫外线处理过的老化4周的钛＞新加工的钛＞老化4周的钛(p＜0.01)。
[0193] 利用机械加工过的钛来测定骨-钛整合在体内的完成。紫外线处理过的机械加工表面在愈合的第2周和第4周表现出骨-钛整合强度的显著提高((p＜0.05；图6C)。
[0194] 这些结果表明对于不同类型的表面加工方式，新加工的和紫外线处理过的钛表面生物优势是普遍的，而且对于不同的蛋白质都是有效的。
[0195] 8.钛的光生超亲水性(superhydrophilicity)
[0196] 在用紫外线处理钛圆片48小时后，水滴的接触角(对于机械加工的和酸蚀刻表面分别为53.5°和88.4°)骤然跌至0°，说明憎水表面被转化成了超亲水表面(图7A)。在酸蚀刻表面上超亲水性的产生则更为迅速。酸蚀刻表面需要1小时的紫外线照射，而机械加工的表面则需要48小时(图7A)。在紫外线照射48小时后，酸蚀刻表面的超亲水性持续了更长的时间，水的0°接触角在黑暗中维持了7天(图7B)。而另一方面，机械加工的表面的超亲水性立即开始消失。
[0197] 9.钛的紫外线增强的蛋白质吸附能力
[0198] 对于两种表面类型(机械加工的和酸蚀刻的)，紫外线处理都使白蛋白和纤连蛋白的吸附加速(图7C，D)。例如，钛表面上的白蛋白的吸附率，以前在培育2个小时后是＜10％，而在紫外线处理48小时后提高至50-60％(p＜0.01)(图7C)。对于两种蛋白质，在酸蚀刻的表面上紫外线增强的效果要大于在机械加工的表面上的效果(p＜0.01)。即使培育24个小时后，这些吸附在未处理过的表面上的蛋白质的量少于在紫外线处理过的表面上所发现的，表明紫外线处理加速和增加了蛋白质的吸附约100％(图7C，D)。
[0199] 10.增强成骨细胞在紫外线处理过的钛上的附着
[0200] 对于机械加工的和酸蚀刻的表面，培育3个小时后，附着在紫外线处理过的表面上的细胞数目比附着在未经处理的对照表面上的多3-5倍(图7E)。即使在24小时之后，紫外线诱导的在细胞附着上的优势仍然存在。
[0201] 11.生物效应对紫外线剂量的依赖性
[0202] 为了确认紫外线促进的蛋白质吸附和成骨细胞附着，测量了蛋白质吸附和成骨细胞附着对紫外线剂量的依赖性。酸蚀刻钛表面接受不同时间段的直至48小时的紫外线照射。紫外线剂量各不相同地影响蛋白质的吸附和成骨细胞的附着(图7F，G)。白蛋白吸附率的提高很快，紫外线照射1小时后接着就饱和了。随着紫外线照射时间的增加直至48小时，细胞附着率连续地显著提高(p＜0.01)。
[0203] 12.成骨细胞在紫外线处理过的钛上容易铺开，强化了增殖
[0204] 接种3小时后，成骨细胞在对照的机械加工钛表面上的铺开和细胞骨架发育沿着机械加工过程的转动轨迹显得各向同性。在这些细胞中很少开展细胞的各过程。相反，在紫外线处理过的机械加工表面上的细胞表现出在多个方向上发展的类似philopodia(philopodia-like)的细胞过程(图8A中的图像)。细胞显然要比未经处理的酸蚀刻表面上的大，细胞各过程扩展的程度要比未经处理的酸蚀刻表面上的高。细胞的面积、周长、以及Feret直径的形态计量测定显示出对紫外线处理过的钛表面，这些参数值较高(图8A中的直方图)。
[0205] 对于机械加工的和酸蚀刻的表面类型，在培养的第2天和第5天，在紫外线处理过的钛表面上的细胞密度始终高于未处理过的表面上的细胞密度(图8B中的直方图)，这与钙黄绿素染色后的细胞荧光图像是一致的。在培养的第2天，紫外线处理过的表面的每单位细胞(per cell)的BrdU掺合较高，确认了成骨细胞增殖的提高(图8C)。
[0206] 13.在紫外线处理过的钛上的成骨细胞表型增强
[0207] 在第10天，与相应的对照表面相比，在紫外线处理过的机械加工的和酸蚀刻的表面上，培养物中两倍以上的面积是ALP阳性的(图9A顶上的图像和左下方的直方图)。此外，ALP活性，其为可选定量的以及通过细胞的数目来标准化的，在紫外线处理过的钛表面上是显著地比别的高(图9A右下方的直方图)。
[0208] 在培养的第14天和第28天，通过von Kossa染色测定的矿化结节面积也是在紫外线处理过的钛表面上比别的大。这个效应在酸蚀刻表面上更为显著，在第14天表现出提高了120％(图9B顶上的图像和左下方的直方图)。总的钙沉积结果与von Kossa结果一致(图9B下方的直方图)。RT-PCR分析显示在整个培养期间内，胶原I、骨桥蛋白、和骨钙蛋白的表达在经与未经紫外线处理的培养物之间是相似的，或者在某些时间点上，在经紫外线处理过的表面上往上调整＜30％(图9C，D)。
[0209] 14.紫外线增强的体内种植体固定
[0210] 紫外线处理过的机械加工表面和酸蚀刻表面在愈合早期第2周时，由推入值估量的骨-钛整合强度分别提高了1.8倍和3.1倍(图10)。在愈合的后期(第4周)，对于机械加工表面和酸蚀刻表面，紫外线处理过的种植体的骨内整合(osseointegration)强度保持它们的优势，分别比未经过紫外线处理的种植体高50％和60％。
[0211] 15.在紫外线处理过的种植体周围的骨形态发生(morphogenesis)
[0212] 在第2周，在对照种植体和紫外线处理过的酸蚀刻种植体上离开种植体表面较远些的区域，都形成有一种编织的、发育不全的形貌(图11A和B)。在检查与种植体表面邻接的区域时，发现了在这两种种植体之间的骨形态(osteomorphogenic)的差异。在紫外线处理过的种植体周围出现了更广泛的骨形成(图11E，F)。另一个显著的差异是软组织插入的程度。在未经处理的对照种植体周围，一些骨组织伴随有软组织插在骨与种植体之间(图11I)，而这在紫外线处理过的种植体周围是很少观察到的(图11J)。在第4周，未经处理的对照比表面的一些部分仍然呈现出纤维性的结缔组织插在骨与种植体之间(图11C，G，K)，而紫外线处理过的种植体几乎完全被直接沉积上去的骨所包围(图11D，H，L)。
[0213] 骨组织形态计量学揭示了紫外线处理过的酸蚀刻种植体的骨-种植体接触百分比始终高于对照种植体(第2周时为2.5倍，第4周时为1.9倍)(图11M)。紫外线处理过的表面的骨-种植体接触百分比为98.2％。靠着种植体表面的近程区，骨体积也始终是紫外线处理过的种植体高于对照种植体的(图11N)，而在远程区的骨体积则没有紫外线诱导的差异，表明紫外线增强的骨增殖是特异性地针对邻接种植体表面的区域(图11O)。注意到紫外线处理显著地降低了软组织插入的百分比(图11P)。紫外线处理过的表面几乎完全阻断了软组织在第4周时插入到骨-种植体界面上，而在第2周和第4周时在未经处理的表面周围，有高于20％的骨牵涉到软组织在钛界面的插入。
[0214] 16.钛上的碳元素与其对成骨细胞和蛋白质吸引的逆相关
[0215] XRD分析显示机械加工和酸蚀刻的表面在25°和28°都未显示出衍射峰，而这两个峰在锐钛矿和金红石型TiO2晶体的衍射图谱中是典型可见的。它们显示的只是归咎于钛原子所产生的衍射图谱(图12A)。但是，两种钛圆片的UV-VIS吸收图谱显示在300-350nm有吸收带(图12B)。酸蚀刻表面的吸收边沿位于比机械加工表面的吸收边沿稍长的波长区域。
[0216] 对于两种钛表面，X射线光电子能谱(XPS)图谱都显示出Ti2p，OIs和CIs峰，但是没有其他峰，表明除了这些元素之外没有杂质的污染(图12C)。Ti2p窄谱显示了在约458.5eV处一个清晰的2p3/2峰，在低能量区没有肩峰(图12D)。与机械加工表面相比，酸蚀刻表面上的2p3/2峰稍微位移到更高的角度。
[0217] 对酸蚀刻的钛表面进行了化学分析以辨认哪些因素造成了生物活性的增强。XPS图谱显示随紫外线照射时间的增加，CIs峰减小，而Ti2p和OIs峰增大(图12E，F，G)。尤其是在约288eV处的一个归因于强烈吸附在TiO2表面的含氧烃类的肩峰消失了。随着紫外线的照射直至48小时，碳的原子百分比从＞50％持续减少至＜20％(图12H)。最小均方差近似法产生了碳的原子百分比与吸附在钛表面上的白蛋白数量之间的线性逆相关，其可决系数(coefficient of determination)越高(R2＝0.930)；钛表面上的碳越少，吸附在该表面上的白蛋白就越多(图12I)。成骨细胞附着率产生了不同样式的回归曲线；随着碳的逐步除去，它呈指数地提高(图12J)。接触角与白蛋白吸附率或者细胞附着率并无显著的相关关系(图12K，L)。
[0218] 17.有效地将UVA和UVC组合起来产生表面正电荷并吸引细胞
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