种植体表面微纳米形貌与地塞米松协同诱导巨噬细胞M2c极化及其机理研究

Traditional strategies improving osseointegration around implant focus on facilitate the osteogenic differentiation capacities of the osteogenic related cells. However, more and more evidences support that the macrophage M2c polarization around implant is the determinant process to induce bone anabolic metabolism. Therefore, the induction of macrophage M2c polarization may be a promising way to improve bone formation around implant. Previously, we have shown that the 30 nm micro/nanotubular surface (NT-30) is able to induce macrophage M2c polarization. In addition, the dexamethasone (DEX) is extensively used to trigger macrophage M2c polarization. As a consequent, we hypothesize that the combination of NT-30 and DEX may synergistically promote macrophage M2c polarization. Based on our research on chitosan electrophoretic deposition (EPD) technique, in the present study intends to load DEX into the channels of mesoporous silica nanoparticles (MSN), which is immobilized onto NT-30 surface via EPD process. The material characterization techniques such as scanning electron microscope and transmission electron microscope, as well as the cellular and molecular biology techniques such as flow cytometry, immunofluorescence staining, ELISA and western blot, were used to evaluate the synergistic effect of topography and drug on macrophage M2c polarization and elucidate the related mechanisms. Our findings may help to contribute a new concept for improving the osseointegration.

传统提升种植体骨结合的思路是促进成骨相关细胞的成骨分化能力，而大量研究证实种植体周围巨噬细胞的M2c方向极化是骨形成的决定因素，因此诱导巨噬细胞M2c极化是提升种植体骨结合的关键。课题组前期研究发现含30 nm纳米管的微纳米形貌（NT-30）具有内在的促进巨噬细胞M2c极化的作用，同时地塞米松（DEX）是广泛应用的M2c激活药物，由此我们提出在NT-30表面缓释DEX实现形貌与药物的协同作用，从而更好地促进巨噬细胞M2c极化的设想。基于前期对壳聚糖电泳沉积（EPD）的研究基础，本项目首先拟采用介孔硅纳米粒（MSN）作为载体进行DEX吸附，再利用EPD技术进行种植体表面加载；通过扫描电镜、透射电镜等材料学表征，以及流式细胞仪、免疫荧光、ELISA、western blot等分子生物学手段，对形貌和药物协同作用后对巨噬细胞M2c极化和分子机制进行系统性探索，为提升种植体骨结合提供新思路。

本项目主体的研究内容是采用不同的载体及加载方法在钛表面构建释放地塞米松的药物涂层，以诱导巨噬细胞向M2方向极化。首先，采用介孔硅纳米粒对地塞米松进行物理吸附，在壳聚糖分子的辅助下利用阴极电沉积技术加载在钛纳米管表面，在纳米粒安全浓度范围内，可诱导巨噬细胞的M2极化，且同时促进了成骨细胞的成骨分化；这种利用纳米载体进行的物理吸附方法较为简单，但可控性和均一性不足。其次，创新性的在钛纳米管表面原位生长构建出了垂直孔道的介孔硅薄膜，该薄膜具有良好的生物相容性和快速降解特性；且原位生长的薄膜涂层具有很好的均一性，显著提升了药物的加载效率；垂直介孔硅薄膜的引入进一步提升了钛纳米管表面的亲水性，有利于细胞的粘附和伸展，对细胞黏附力和粘附数量均具有显著提升，且可诱导成骨细胞的成骨分化；然而介孔硅薄膜的生长依赖于基底表面羟基的存在。最后，考虑到水凝胶系统具有载药量充足、不受基底条件限制等优势，利用自主研发的DNA-壳聚糖杂化水凝胶进行地塞米松存储和释放，证实了DNA-壳聚糖水凝胶具有极佳的生物相容性和可注射性，能够深入到钛纳米管内部实现药物的缓慢释放；体内外实验证实水凝胶加载地塞米松后可显著诱导巨噬细胞向M2方向极化，表现为基因表达及因子分泌的改变。此外，在本项目的支持下还进行了许多拓展性研究，主要包括钛纳米管表面调节巨噬细胞极化的机制探索，证实了细胞自噬及FAK等信号的关键作用。这些研究为生物材料表面生物功能化修饰的原理和方法提供了新的策略，对于指导研究材料与机体整合的原理也具有重要科学价值。