专注于为医疗器械研发与生产服务

2025年9月24-26日 | 上海世博展览馆1&2号馆

首页 > 材料 > TiO2作为医用植入材料的应用 2024上海医疗设备展Medtec详解

TiO2作为医用植入材料的应用 2024上海医疗设备展Medtec详解

2024-05-24

二氧化钛(TiO2)是一种重要无机生物材料,常以自发形成的薄膜形式存在于钛(Ti)合金表面,从而赋予钛合金材料良好的化学稳定性、耐磨性和生物相容性。因此,2024上海医疗设备展Medtec调查发现,近年来TiO2已被作为独立的生物材料而得到广泛关注。

1. TiO2在血液接触材料中的应用

TiO2薄膜由于较好的血液相容性和稳定性,常被用于覆盖血液植入器械表面以改善器械的生物学表现。在过去三十年中,研究者们对TiO2薄膜的晶体结构、掺杂方式、制备工艺进行了系统的筛选,以寻找最适合用于心血管体系的TiO2薄膜[1]。
上世纪90年代,黄楠等人利用非平衡磁控溅射沉积技术,制备出了具有N型半导体特征的金红石晶型的TiO2薄膜。他们发现该薄膜可以通过抑制纤维蛋白原向材料转移电子,从而抑制纤维蛋白原的激活,因此具有良好的抗凝血性[2]。此外,通过磁控溅射沉积技术能将该薄膜能在复杂器械表面均匀沉积,并给予了该薄膜极强的膜基 结合力。基于上述原创性成果,黄楠等人开发了基于TiO2薄膜表面改性的药物洗脱血管支架海利欧斯®(HELIOS®),由于优良的临床效果,该支架入选2020年全国冠脉支架集中带量采购名单。
除TiO2薄膜之外,TiO2纳米管(TiO2NTs)亦在血管支架材料改性的应用中得到了广泛的关注。理想的支架应该促进血管内皮细胞(ECs)迁移和增殖,同时抑制血管平滑肌细胞(SMCs)增殖的功能[3]。研究者们发现,纳米管通过其特殊的表面形貌,能促进ECs的增殖和迁移,并同时降低SMCs的增殖活性和迁移[4,5]。因此,使用TiO2NTs作为支架涂层材料,为促进支架植入后血管愈合引入了一种有效的非载药的方法。研究表明,钛纳米管的直径在刺激间充质干细胞向心肌细胞和SMCs的转变方面起着重要作用。例如,管径为15纳米的TiO2NTs比管径为70-100纳米的TiO2NTs更能促进间充质干细胞分化为心肌细胞和SMCs。此外,ECs的粘附性、增殖性和运动性在管径为15纳米的TiO2NTs上比在管径为100纳米的TiO2NTs上高数倍[6]。由于理想的血管植入物应防止SMCs增生,并有利于ECs增生和迁移,TiO2NTs可能是下一代支架或血管设备表面改性有希望的候选者。
此外,TiO2NTs亦被用于无聚合物涂层的药物洗脱支架中。药物洗脱支架由于聚合物涂层的分解,导致对内皮细胞的毒性和延迟再内皮化,容易在植入几个月后诱发晚期血栓形成[7,8]。开发无聚合物涂层的药物洗脱支架是克服这些缺点的一个有前途的方法。TiO2NTs由于优良的生物相容性和载药能力,被认为是无聚合物涂层药物洗脱支架的潜在材料。近年来,我们课题组在这方面取得了一些成果,杨志禄等人向TiO2NTs中负载比伐卢定,并结合聚多巴胺表面改性技术调控纳米管的管径以实现药物的缓释,获得了具有优异抗凝血、促进内皮生长、抑制平滑肌生长的TiO2NTs[9]。戴胜等人则在TiO2NTs内原位装载了适量的银纳米颗粒,赋予了TiO2NTs对内皮细胞低毒性的前提下,对平滑肌细胞的选择性抑制。并通过大鼠腹主动脉体内植入实验,证实了该载银TiO2NTs在血管内具有优异的生物相容性[10]。
总而言之,各种形态的TiO2,作为血液接触材料,正得到越来越广泛的应用。
近年来,随着国家创新政策的不断提出,材料和关键零部件也需要取得重大突破来满足创新医疗器械设备的需求,以支持《医疗装备产业发展规划(2021-2025年)》的实现。2024上海医疗设备展Medtec将在现场同期举办技术论坛E:医疗器械诞生的助推器——创新医用材料/配件及精加工论坛,本次会议将结合生物医用材料、精密配件及生产中精密的加工工艺在医疗器械中的应用为器械生产商和供应商提供交流平台。现在预登记参观参会限时免费>>>

2. TiO2在骨材料中的应用

TiO2在骨材料中的应用同样十分广泛。钛合金由于其优异的力学性能和生物匹配性,是应用最广泛的金属骨材料。但与其他金属相比,它缺乏维持长期骨生长的能力,许多人因此认为目前基于Ti合金的骨科植入物只有15年的寿命[11]。对于骨科材料而言,成骨细胞的粘附是实现后续功能如细胞外基质的合成、矿物质沉积和骨整合的基础。
为解决上述问题,近年来,人们一直推动在Ti合金的骨植入器械表面制造纳米拓扑结构的TiO2。人们制备了有具有纳米蜂巢结构的多孔TiO2,或者TiO2纳米管,以模仿天然骨的纳米结构,从而改善Ti合金植入物的成骨细胞亲和性。在此我们以TiO2纳米管为例,阐述TiO2在骨材料领域的应用。通过阳极氧化,可以在Ti表面快速和廉价地制造可控的TiO2纳米管(TiO2NTs)拓扑结构。早期的研究中发现,TiO2NTs具有较传统Ti合金材料更强的成骨细胞亲和性,这可能是由于纳米结构引起表面能显著增加,导致TiO2NTs表面大量吸附了与成骨细胞有高亲和力的蛋白(如vitronectin和fibronectin等)所导致的[12]。
近年来,TiO2纳米管的制备工艺进一步趋于成熟,能够轻易的制备更均匀或图案化的纳米管表面。这种图案化纳米管表面能够有效模仿骨的自然环境,增加骨生长的优良纳米拓扑结构[11]。Yao等人在有序TiO2纳米管上培养成骨细胞21天后发现,有序纳米管结构上的成骨细胞的钙沉积显著增加[13]。重要的是,这项研究表明,与传统Ti合金材料相比,有序的TiO2NTs上的成骨细胞功能明显更好。管径70-80纳米的TiO2NTs被发现最能促进成骨细胞功能。
最后,TiO2纳米管还是一种理想的药物/生物分子载体,可用于装载释放生物活性分子,进一步促进成骨细胞的附着和生长。例如,Bae等人在TiO2NTs上负载了重组人骨形态发生蛋白-2(rhBMP-2,被广泛应用于骨科,促进骨形成和骨整合),并研究了该表面上成骨细胞的生物活性[14]。他们的研究表明,TiO2NTs可以作为一种为骨植入器械量身定做的药物输送系统。 

3. TiO2在生物传感器中的应用

近来TiO2纳米结构和生物分子的新型混合系统,在制造生物纳米混合器件领域取得了相当大的成功,如生物分子敏化太阳能电池(BSSCs)和光电化学电池(PECs)等[15]。除了上述这些器件外,生物分子与TiO2纳米结构薄膜的结合还促进了生物传感器的开发[16]。
2024上海医疗设备展认为在基于TiO2构建的PEC生物传感器中,用作换能器的材料可以由(a)TiO2单独制成,(b)TiO2与一些无机半导体混合制成,或(c)TiO2 与其他材料复合制成。窄禁带宽度的量子点可以使TiO2敏化并实现能带调制。如,带隙宽度为2.4eV的硫化镉纳米颗粒(CdS-NPs)是一种理想的敏化材料。用CdS对TiO2进行敏化,可以扩大激发光的波 长范围,提高TiO2电极的光电性能。同时,CdS和TiO2的耦合可以减少光诱导电子和空穴的复合,从而提高光电转化效率[17]。最近,CdSQDs/TiO2NTs复合材料已被用于前列腺特异性抗原(PSA,前列腺癌的重要肿瘤标志物)的检测[18]。此外,最近Fan等报道了一种基于CdS敏化和铁(Fe)掺杂TiO2的PEC生物传感器,用于鳞状细胞癌抗原的检测。在该复合材料中,铁掺杂提高了复合材料在可见光区域的吸收。此外,Fe-TiO2NPs的粗糙表面能与羧基化的CdSNPs充分结合[19]。

参考文献:

[1] ERIKSSON C, LAUSMAA J, NYGREN H. Interactions between human whole blood and modified TiO2-surfaces: influence of surface topography and oxide thickness on leukocyte adhesion and activation [J]. Biomaterials, 2001, 22(14): 1987-1996.

[2] NAN H, PING Y, XUAN C, et al. Blood compatibility of amorphous titanium oxide films synthesized by ion beam enhanced deposition [J]. Biomaterials, 1998, 19(7): 771-776.

[3] AKO J, BONNEAU H N, HONDA Y, et al. Design Criteria for the Ideal Drug-Eluting Stent [J]. The American Journal of Cardiology,2007, 100(8, Supplement 2): S3-S9.

[4] BRAMMER K S, OH S, GALLAGHER J O, et al. Enhanced Cellular Mobility Guided by TiO2 Nanotube Surfaces [J]. Nano Letters, 2008, 8(3): 786-793.

[5] PENG L, ELTGROTH M L, LATEMPA T J, et al. The effect of TiO2 nanotubes on endothelial function and smooth muscle proliferation [J]. Biomaterials, 2009, 30(7): 1268-1272.

[6] PARK J, BAUER S, SCHMUKI P, et al. Narrow Window in Nanoscale Dependent Activation of Endothelial Cell Growth and Differentiation on TiO2 Nanotube Surfaces [J]. Nano Letters, 2009, 9(9): 3157-3164.

[7] SHUCHMAN M. Trading Restenosis for Thrombosis? New Questions about Drug-Eluting Stents [J]. New England Journal Of Medicine, 2006, 355(19): 1949-1952.

[8] FINN A V, JONER M, NAKAZAWA G, et al. Pathological Correlates of Late Drug-Eluting Stent Thrombosis [J]. Circulation,2007, 115(18): 2435-2441. 

[9] YANG Z, ZHONG S, YANG Y, et al. Polydopamine-mediated long-term elution of the direct thrombin inhibitor bivalirudin from TiO2nanotubes for improved vascular biocompatibility [J]. Journal Of Materials Chemistry B, 2014, 2(39): 6767-6778.

[10] DAI S, JIANG L, LIU L, et al. Photofunctionalized and Drug-Loaded TiO2 Nanotubes with Improved Vascular Biocompatibility as a Potential Material for Polymer-Free Drug-Eluting Stents [J]. ACS Biomaterials Science & Engineering, 2020, 6(4): 2038-2049.

[11] OH S, DARAIO C, CHEN L-H, et al. Significantly accelerated osteoblast cell growth on aligned TiO2 nanotubes [J]. Journal Of Biomedical Materials Research Part A, 2006, 78A(1): 97-103.

[12] WEBSTER T J, ERGUN C, DOREMUS R H, et al. Specific proteins mediate enhanced osteoblast adhesion on nanophase ceramics [J]. Journal of Biomedical Materials Research, 2000, 51(3): 475-483.

[13] YAO C, SLAMOVICH E B, WEBSTER T J. Enhanced osteoblast functions on anodized titanium with nanotube-like structures [J]. Journal Of Biomedical Materials Research Part A, 2008, 85A(1): 157-166.

[14] BAE I-H, YUN K-D, KIM H-S, et al. Anodic oxidized nanotubular titanium implants enhance bone morphogenetic protein-2 delivery [J]. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2010, 93B(2): 484-491.

[15] MAHYAD B, JANFAZA S, HOSSEINI E S. Bio-nano hybrid materials based on bacteriorhodopsin: Potential applications and future strategies [J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2015, 225:194-202.

[16] ESTEVEZ M C, OTTE M A, SEPULVEDA B, et al. Trends and challenges of refractometric nanoplasmonic biosensors: A review [J]. Analytica Chimica Acta, 2014, 806: 55-73.

[17] LEE Y-L, LO Y-S. Highly Efficient Quantum-Dot-Sensitized Solar Cell Based on Co-Sensitization of CdS/CdSe [J]. Advanced Functional Materials, 2009, 19(4): 604-609.

[18] ZHAO W-W, MA Z-Y, YAN D-Y, et al. In Situ Enzymatic Ascorbic Acid Production as Electron Donor for CdS Quantum Dots Equipped TiO2 Nanotubes: A General and Efficient Approach for New Photoelectrochemical Immunoassay [J]. Analytical Chemistry, 2012, 84(24): 10518-10521.

[19] FAN D, WU D, CUI J, et al. An ultrasensitive label-free immunosensor based on CdS sensitized Fe–TiO2 with high visible-light photoelectrochemical activity [J]. Biosensors and Bioelectronics, 2015, 74: 843-848.

文章来源: AIE荧光材料

作者: Jacky Wangle

X
Baidu
map