替换HA涂层中微量元素对成骨活性的影响及作用机制

天然骨中的无机成分除主要的羟基磷灰石外，还含有硅、镁、碳酸根等微量元素或离子，它们在骨的动态重组过程中起着重要的作用。近年来关于添加微量元素改善HA成骨活性的研究在国际上受到了日益广泛的关注，但对微量元素如何影响成骨活性的机制却尚不明了，对微量元素掺入导致替换HA溶解速率增加是否是促进其生物活性的主要因素有很大争议。本课题将利用液相等离子体喷涂新技术制备结构一致的含硅、镁、碳酸根等元素的替换HA纳米生物活性涂层，综合比较溶解速率和表面物理、化学性质两个关键因素对替换HA涂层成骨活性的影响机制：研究溶出速率对表面生物活性、成骨细胞增殖、分化及破骨细胞黏附的影响；研究表面物理、化学性质（包括表面电荷、亲疏水性、表面能、Ph值）对特定蛋白吸附及对成骨活性的影响。最终明确微量元素影响替换HA涂层成骨活性的作用机制，解决溶解速率是否是影响替换HA涂层成骨活性主要因素的争议。

羟基磷灰石（HA）具有与骨的无机成分相似的成分，具有良好的生物相容性、生物活性和骨传导性，被广泛用于硬组织替换材料。但天然骨中的无机成分并不是完全的纯HA，还含有Si, Zn, Mg, CO32-等微量元素，其在骨的动态重组中起着重要的作用，但对微量元素如何影响成骨活性的具体机制尚不明了。一般认为溶解度地提高是成骨活性增加的一个主要因素，但这个观点也引起较大争议。本项目采用液相等离子喷涂新技术制备微量元素替换羟基磷灰石纳米涂层，考察了不同微量元素掺杂对成骨细胞粘附、增殖、分化的影响，及其在磷酸盐缓冲液、细胞培养基以及模拟体液中的离子溶解行为，发现微量元素替换引起的溶解度增加不是影响微量元素替换HA涂层成骨细胞增殖、分化的主要因素，而微量元素掺杂引起的化学性质变化对成骨细胞行为有着重要的影响。例如，Si掺杂引起的Zeta电位变化与对纤维连接蛋白（单蛋白体系）和血清蛋白（多蛋白体系）的吸附行为存在较大影响。因此进一步系统研究了不同硅含量的Si-HA的晶体结构、表面电荷、表面能等材料表面的物理、化学性质与蛋白吸附以及材料表面预吸附蛋白对间充质干细胞的增殖和粘附的影响。结果表明，Si-HA成骨活性提高的一个关键因素在于表面物理化学性质改变引起蛋白吸附行为变化，且与成骨细胞响应存在高度相关性。同时还研究了Zn对共培养环境下的OB与OC细胞行为的影响及机理。发现Zn对MSCs诱导分化成的成骨细胞的增殖和粘附有促进作用，但是早期Zn-HA上细胞分泌的白细胞介素-1（IL-1）和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP5b）相比于HA较少，而其后期的分泌量反而增加。而TRAP5b是破骨细胞生成的标志性蛋白，说明Zn在共培养的条件下在早期对破骨细胞活性有明显的抑制作用，后期则表现为令人吃惊的促进作用，而这个促进作用在单独培养OC的条件下则不存在。所以OB的存在对Zn调节OC响应有着重要的影响，OB和锌在调节破骨细胞的功能方面有着高度的协同作用。因此，在研究HA中微量元素的作用机理时，细胞与细胞之间的交互作用不容忽视。总之，我们通过研究微量元素对成骨进程的影响，对生物活性提高的机理进行了重要的探索，揭示了微量元素影响成骨活性机理的多样性及复杂性，为将来可能将微量元素用于骨修复和治疗骨质疏松及材料的优化设计等方面提供一定的理论基础及指导。