微量元素掺杂骨修复材料构建及其促进骨组织再生的机制研究

Micronutrients-incorporated biomaterials which are designed to stimulate osseointegration, vascularization and immune responses provide a new approach to address the critical problems of clinical Ti-based implants. This project aims to examine the fabrication process of micronutrients-incorporated biomaterials, investigate the important role of microenvironment in delivering the chemical stimulus and regulatory cues from biomaterials to regulate the cellular responses and bacterial responses, especially the effects of released metal ions on protein expression and adsorption of extracellular matrix as well as growth factors. Furthermore, how these variations in microenvironments regulate signal transduction processes which direct osteogenesis and angiogenesis will be studied. In another respect, the impacts of micronutrient-incorporated biomaterials on bacterial adhesion and growth as well as its anti-infection efficacy against pathogen-host interface will also be well studied at the molecular biology level. This study will provide an insight into the biomaterials possessing excellent bone regeneration activities.

生物活性低、成骨速度慢和易发生细菌感染仍是现阶段骨修复材料临床应用中面临的关键问题。据此，项目申请者提出利用微量元素掺杂生物活性材料实现对成骨行为、血管化进程和机体免疫应答的多功能调控，协同解决关键问题的思路。本项目拟研究材料表面微量元素掺杂工艺及优化，探讨微量元素掺杂钛表面理化性能及离子释放对细胞微环境中细胞外基质蛋白表达和吸附、生长因子表达的影响，并进一步研究细胞微环境对细胞粘附、迁移和分化等的调控作用。同时，从分子生物学水平探讨微量元素掺杂钛表面对细菌粘附和生长的影响规律，以及细胞微环境对细菌感染的作用效果和机制。通过上述研究，了解微量元素掺杂骨修复材料通过调控成骨行为、血管化进程和机体免疫应答对骨组织再生的影响，为制备具有临床应用前景的生物材料提供理论依据。

生物活性低、成骨速度慢和易发生细菌感染仍是现阶段骨修复材料临床应用中面临的关键问题。本项目针对临床面临的实际问题，提出利用微量元素掺杂构建生物功能化钛表面，围绕微量元素改性钛表面的成骨性能、成血管性能、免疫性能和抗菌性能调控展开了系列研究。通过本项目的实施，我们（1）利用等离子体浸没离子注入技术（PIII&D）分别制备了Zn-Ti和Cu-Ti。研究发现Zn-Ti和Cu-Ti 均能够刺激巨噬细胞发生极化，同时提高炎症/抗炎相关基因的表达水平。小鼠骨髓间充质干细胞与巨噬细胞共培养，显著提高了注入样品表面巨噬细胞内抗炎基因的表达水平，降低了炎症基因的表达水平。Zn-Ti比Cu-Ti更有利于促进巨噬细胞向M2亚型极化，降低炎症反应程度。利用等离子浸没离子注入技术制备了Zn、Fe和Zn/Fe二元注入钛，发现Fe也能能够刺激巨噬细胞发生极化，提高M1/M2型巨噬细胞标志物相关基因的表达水平。Zn和Fe对炎症基因TNF-和TGF-的调控存在一定的协同作用。（2）利用等离子体电解氧化技术（PEO）分别制备了Si掺杂的TiO2表面发现Si能显著促进VEGF蛋白的分泌以及成血管相关基因的表达水平，且Si含量过高会抑制成血管性能。利用PEO技术制备了Zn/Si二元掺杂的TiO2表面（Zn/Si-PEO），体外和体内实验研究表明，Zn/Si-PEO能有效促进成骨和成血管相关基因、蛋白的表达水平，获得了兼具良好成血管和成骨性能的TiO2表面。（3）利用PIII&D将Fe注入钛表面，形成由钛铁金属和其氧化物组成的纳米改性层。作为电子受体的铁氧化物释放亚铁离子，导致ROS产生并实现杀菌。同时，由于Fe注入表面具有较高负电性，抑制细菌粘附的同时可促进大鼠骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化。可见Fe注入钛可获得兼具良好成骨和抗菌功能的钛表面。（4）铜离子对不同类型细胞的IC50有如下规律：HUVECs （IC50=327.9 μM）> MC3T3-E1（IC50=188 μM）> rBMSCs，这可能与铜离子诱导不同类型细胞产生的ROS水平有关。铜离子对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌浓度存在一个临界值（约为37 M）。当浓度低于临界值，不会显示抗菌性；当浓度高于临界值，铜的抗菌性能显著提高。