新型微纳米生物活性玻璃促进难愈创面血管再生机制研究

Chronic wound seriously affects the barrier function and appearance of the skin, and threatens the human health and living quality. Neovascularization is a critical aspect in wound healing, due to the function of delivering oxygen, nutrients and growth factors, which is necessary for the survival of cells on wound sites or from the surrounding tissue. Therefore, developing a novel bioactive glass that can effectively induce fibroblasts and endothelial cells to secrete growth factors and promote wound revascularization has become a focused issue. We will develop a facile method for fabricating bioactive glass nano- and micron- particles with controllable composition, morphology and microstructure using organic template agent in a sol-gel process. The endothelial cells, fibroblasts and epithelial cells will be cultured with bioactive glasses in vitro and their cellular compatibility can be investigated. The design of the composition, morphology and microstructure of the bioactive glasses will be screened on the basis of cellular and animal experimental results. Through the above research, we attempt to prepare a new inducible bioactive glass, which can stimulate the proliferation of endothelial cells and fibroblast, up-regulate expression of the vascular endothelial growth factor and basic fibroblast growth factor, resulting in enhanced revascularization of tissue engineered constructs to meet the clinical needs of wound healing.

难愈创面严重影响皮肤屏障功能及外观，威胁人体健康状况和生活质量。导致创面难愈的一个重要因素是创面血管再生困难，不能及时为新生组织提供足够的营养、氧气和输送必需的生长因子。因此，开发一种有效诱导成纤维细胞和内皮细胞分泌血管再生所需的生长因子，促进创面血管再生的修复材料一直是研究者关注的焦点。本项目采用有机模板合成技术结合溶胶-凝胶技术，精确控制生物活性玻璃成分、形貌和微观结构以及离子释放速率，通过内皮细胞、成纤维细胞和上皮细胞以及糖尿病创面与生物活性玻璃的相互作用，深入研究生物玻璃组成、形貌和微观结构对创面再血管化过程及修复过程的影响，并以细胞实验和动物实验结果为“筛选”依据，指导并设计生物活性玻璃，使其具有最佳化学组成、最佳形貌和最佳微观结构。通过上述研究制备出一种能刺激内源性生长因子表达、促进血管内皮细胞和成纤维细胞增殖，进而促进血管生成和局部血液循环的诱导型创面修复材料以满足临床需求。

糖尿病溃疡病变因周围血管病变及末梢神经的功能障碍，成为临床上亟待解决的难点和热点。生物活性玻璃（BG）可用于难愈创面修复，但BG与创面修复关系不明确，且传统BG形貌、尺寸、结构不可控限制其应用。因此，本项目主要解决传统BG形貌、尺寸、结构不可控等问题，探明BG物理形态、微观结构及化学成分对创面修复的关系。本研究发现SiO₃²⁻能上调人皮肤成纤维细胞（HDFs）和脐带血管内皮细胞（HUVECs）的VEGF、VEGFR、bFGF、bFGFR的基因表达，Ca能上调HDFs的ColΙ、ColⅢ和bFGF、bFGFR表达，在一定浓度下两种离子都可以促进HDFs和HUVECs增殖和周期，促进细胞的有丝分裂，因此Si和Ca缺一不可。以溶胶-凝胶法结合模板组装技术成功制备出形貌可控（球形~棒状）、尺寸可调（61~1085nm）、高比表面积（445.214~668.774m²/g）的新型微纳米生物活性玻璃（MNBG），揭示了MNBG形貌和结构的调控机制。研究了MNBG的细胞相容性以及对细胞行为的影响，发现球形BG和棒状BG均具有良好的磷灰石形成活性和细胞相容性，但球形BG和小尺寸BG对细胞粘附、迁移和增值等性能影响更小，细胞相容性更好。通过溶胶-凝胶技术结合有机模板引导生物玻璃自组装，制备了不同化学组成的微纳米生物活性玻璃，研究发现用碱做催化剂制备微纳米生物活性玻璃CaO含量最高为15%，其具有良好的细胞相容性。在制备单分散球形BG工艺基础上，用Sr替代部分Ca，研究发现掺Sr量6%时不会引起生物活性玻璃微球形貌、结构、离子释放性能以及细胞学行为的改变。糖尿病大鼠动物实验发现，MNBG和Sr6%-MNBG明显抑制炎症反应，同时能促进创面的上皮化，在促进创面修复的同时还能抑制瘢痕形成，形成的是正常皮层厚度的皮肤，且Sr掺杂型在早期能加速创面上皮化。因此，本项目的研究目的基本达到，制备了一种能促进创面血管化将来有望用于临床的生物活性材料。