搭载淫羊藿苷的PEEK调控巨噬细胞极化以增强骨整合度的实验研究

Artificial joint prostheses are various in clinic but difficult to possess such properties as low elastic modulus, high biocompatibility and excellent osseointegration. Based on the previous studies, I find that macrophage polarization (M1 and M2) plays an important role in osteogenesis and M2 macrophages can improve osteogenesis. Thus, this project intends to integrate icariin (ICA) with multiple pharmacological activities into the three-dimensional porous structure of sulfonated polyetheretherketone (SPEEK) through the polydopamine (PDA) drug-loading technology (SPEEK-ICA@PDA). Through the in vitro and in vivo experiments, we stress to study whether signaling pathways of PI3K/Akt and NF-κB play a key role in the process of macrophage polarization induced by SPEEK-ICA@PDA, and what role macrophage polarization plays in the osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) and the activity of osteoclast in order to obtain a novel PEEK with high implant-bone osseointegration. Consequently, it will shed light on developing an innovative artificial joint prosthesis combining with low elastic modulus, durable osteoimmunomodulation and high osseointegration between prosthesis and bone.

临床上应用的人工关节假体种类繁多，但难以兼具低弹性模量、高生物相容性和优异骨整合度等性能。基于前期研究，申请人发现巨噬细胞极化（M1和M2型）在成骨过程中发挥重要作用，其中M2型巨噬细胞可促进成骨。本项目拟通过聚多巴胺（PDA）载药技术，将具有多种药理活性的淫羊藿苷（ICA）搭载于磺化聚醚醚酮材料（SPEEK）的三维多孔结构中，构建成SPEEK-ICA@PDA。通过体内外实验着重探索PI3K/Akt和NF-κB信号通路在该材料调控巨噬细胞极化过程中是否发挥着关键性作用，以及巨噬细胞极化对骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化和破骨细胞活性的影响，以期获得具备植入物-骨界面高整合度的新型PEEK材料。从而为研发具有低弹性模量、持久免疫成骨性能和假体-骨界面高骨整合度的新型人工关节假体奠定理论基础。

随着人类寿命的延长以及人口老龄化的加剧，越来越多的晚期骨关节疾病患者愿意行人工关节置换术来解决关节疼痛、畸形、活动受限等问题，以期提高生活质量。然而，导致术后人工关节假体失败的因素依旧无法彻底避免，如假体松动。为了延长人工关节假体的使用寿命，降低手术翻修率，人工关节的研发不仅要注重其机械性能的优劣性，更要聚焦于其生物相容性和生物活性。临床上发现，骨质疏松患者完成关节置换术后，避免因假体-骨整合度较低而导致的假体松动问题是非常重要的。基于前期研究，巨噬细胞极化（M1和M2型）在成骨过程中发挥重要作用，其中M2型巨噬细胞可促进成骨。研究人工关节假体材料的免疫成骨性能以提高假体-骨界面的骨整合度和假体使用寿命、以及促进新型人工关节假体的研发具有重要的临床指导意义。.在这项研究中，通过聚多巴胺（PDA）载药技术，将具有多种药理活性的淫羊藿苷（ICA）搭载于磺化聚醚醚酮材料（SPEEK）的三维多孔结构中，构建成SPEEK-ICA@PDA。通过体外细胞学实验评估SPEEK-ICA@PDA材料对巨噬细胞极化的作用以及探究其作用机制，并评估巨噬细胞极化对BMSCs成骨分化和破骨细胞活性的影响；建立动物气囊模型进一步评估SPEEK-ICA@PDA材料在体内对巨噬细胞极化的作用，以及股骨骨质疏松模型来评估SPEEK-ICA@PDA材料对破骨细胞活性和新骨生成的作用。.体外实验发现，SPEEK-ICA@PDA材料通过促进巨噬细胞向M2型极化，进而诱导骨髓间充质干细胞成骨分化以及抑制RANKL诱导的破骨作用。小鼠皮下气囊模型和大鼠骨质疏松模型的体内实验进一步证明了该材料可通过调节免疫反应诱导成骨效应，以及增强了材料-骨界面的骨整合度.实验结果表明SPEEK-ICA@PDA可能成为一种通过免疫调节增强骨整合度的骨科医用材料。而且，该研究可能为研发具有低弹性模量、持久免疫成骨性能和假体-骨界面高骨整合度的新型人工关节假体奠定理论基础。