仿骨微区电学环境植入材料构建及其调控成骨机制研究

Bone implant material is one the most widely used clinical biomaterials. But the slow osteointegration speed of the traditional bone implant materials with the human tissue interface frequently occurs. The focus of the development of bone implant materials was mainly concentrated on mimicking the composition and micro- and nano-topography of natural bone, and some progresses were made. However, the natural bone shows piezoelectricity, and researches indicate that the bone cell behaviors are governed by the bone microzonal electrical microenvironment which is composed by the periodically distributed piezoelectric collagen fiber and non-piezoeletric structures. Most of the previous studies overlook the role of the electrical cues in the bone electrophysiology microenvironment in manipulating bone regeneration. And thus this program proposes to construct periodically distributed piezoelectric KNN / non-piezoelectric apatite microzonal structures in order to mimic the in vivo microzonal electrical environment induced by the electromechanical coupling, and thus to accelerate bone regeneration. The effect of the implant materials mimicking the microzonal electrical environment of bone on the cellular osteogenic signal path and electrophysiological transduce path will be studied to uncover the osteogenic mechanism. Finally, the osteogenic properties of this implant materials were determined using the in vivo femur defects implantation experiment. This program would provide a new perspective and method for future designation of bone electrical microenvironment mimetic implants materials.

骨植入材料是临床需求量最大的生物材料之一，但传统骨植入材料普遍存在其与人体组织界面骨整合速度慢的问题。大多数研究主要围绕骨的天然成分及其微纳结构仿生制备骨植入材料，取得一定成效。然而，天然骨具有压电特性，研究发现在天然骨内，骨细胞行为受到周期性排布的压电性胶原纤维结构和非压电性结构功能微区所形成的骨内微区电学环境的调控。既往的研究大都忽略骨内电生理微环境中电学信号对成骨的调控作用。鉴于此，本项目通过在铌酸钾钠压电陶瓷表面构建周期性排列的压电性铌酸钾钠区/非压电性类骨磷灰石区，从而模拟骨组织力-电耦合作用下产生的微区电学环境，以实现加速骨缺损修复的目标。系统研究仿骨微区电学环境植入材料对细胞的成骨分子生物学信号通路和电生理信号传递通路的影响规律，揭示该材料促成骨作用机制，通过动物实验探讨材料的仿骨微区电学环境促成骨作用机制。本项目将为开发新型仿骨微区电学环境功能的骨植入材料提供思路和方法。

由于人口老龄化加快以及交通事故频发等造成临床骨缺损病例急剧增加，骨植入材料需求量增大，传统骨植入材料研发主要围绕骨的天然成分及其微纳结构仿生开展，仍存在骨植入材料与骨组织骨整合速度慢的问题，本项目基于天然骨压电性及其压电性胶原纤维空间分布形成的骨内电生理微环境对成骨过程的调控作用，开发出仿骨微区电学环境植入材料，研究了微区功能化铌酸钾钠材料极化特性及其空间分布对于仿生矿化类骨磷灰石成分、结构及其空间分布的调控作用，实现植入材料微区电学特性精确调控，可调控细胞生活电生理微环境，微区电势差异可达50mV以上；研究了仿骨微区电学环境植入材料的蛋白质吸附的空间特异性，及其对于介导后续细胞行为的关键作用。蛋白质吸附研究证明了空间特异性电荷介导的选择性蛋白质吸附。细胞行为分析表明，仿骨微区电学环境植入材料有利于促进细胞粘附和丝状伪足的形成，加速细胞迁移。研究表明该材料可促进胞内钙离子富集激活后续电生理通路。研究了仿骨微区电学环境植入材料对骨髓间充质干细胞成骨分化的调控作用，与生物活性羟基磷灰石材料相比，仿骨微区电学环境植入材料显著增强ALP的表达，促进了OPN、RUNX2、COL1和OCN等成骨相关因子表达水平提升，诱导骨髓间充质干细胞的成骨分化。系统评估了仿骨微区电学环境植入材料的动物体内成骨性能，结果证明植入1月后仿骨微区电学环境植入材料成骨量是传统羟基磷灰石骨植入材料的2倍以上。上述结果证明仿骨微区电学环境植入材料可以模拟天然骨的空间特异性压电性，可以作为微区压电场源模拟骨胶原纤维的压电性构建基本的骨压电微环境，对细胞膜表面带电蛋白等产生作用从而调控干细胞分化，促进成骨。其意义在于利用植入材料本征电学性能调控实现仿骨微区电学环境植入材料构建，为开发新型仿骨电活性骨植入材料提供实验基础和方向指引。