生物活性陶瓷表面微环境预调制及其对巨噬细胞行为和骨再生的影响机制

Resorbable bioactive ceramic plays an important role in biomaterial-mediated bone regeneration. However, the traditional design of this kind of materials did not place the material chemical reaction in the frame of the physiological repair process of bone fractures, which often induces large deviation of the in vitro results from the in vivo results. Since the initial degradation of the materials in the time frame corresponds to the inflammation reaction during the bone repair process, we in this project proposed a selective nano-mineralization strategy based on a vapor phase hydrothermal method to pre-modulate the microenvironment of the ceramic surface, which is supposed to construct a new osteoimmunomodulatory nanosurface and meanwhile overcome the initial burst ion release of the resorbable bioceramics. Moreover, nano-replica molding and μcontact printer were used to study the effects of ceramic surface micro/nanostructures remodeling on the macrophage responses. Together with analysis of the effects of the pH and ions, we can determine the critical micro-environmental factor in controlling the macrophage behavior and directing the bone regeneration. At the molecular level, the influence of microenvironment on the transmembrane protein, integrin (β1 and β2) were studied to tentatively understand the molecular mechanism of how macrophases respond to the microenvironment. This study will promote the deep understanding of mechanism underlying the material-organism interaction and provide guidance for the future design of osteoimmunomodulatory bone materials and surface modification of bioactive inorganic materials.

传统生物活性陶瓷设计未将材料植入后的动态化学反应置于骨损伤生理修复过程的框架中，从而导致体内外成骨效果不一致的现象。本课题从"材料早期降解和生理修复的炎症反应在时序上具有匹配性"这一视角出发，提出基于气相水热的"选择性纳米矿化"方案对微环境进行预调制，在克服可降解陶瓷早期降解过快问题的同时，构建具有免疫调节功能的新型纳米化表面。此外，利用纳米拓印/微接触印刷技术重点考察陶瓷表面纳米结构重塑对巨噬细胞极化的作用规律，结合微环境中离子和pH效应的分析，明确决定巨噬细胞应答和骨再生的关键因素，构建微环境-炎症反应-骨再生三者间的关联机制；从分子层面上，探索微环境及预调制对巨噬细胞整合素β1和β2信号的影响，明晰巨噬细胞对微环境应答和其极化表型的联级关系。项目的实施有助于深入地了解生物活性陶瓷与机体的相互作用机制，为新免疫调节型骨修复材料的开发及可降解无机生物材料的界面设计提供借鉴。

针对生物材料表面微纳米结构对生物行为调控的重要性、巨噬细胞在骨再生中的重要作用及陶瓷材料降解对骨再生微环境的多重影响，本项目研究了陶瓷降解导致的微纳米结构、pH变化等对细胞行为的影响，人为制备纳米结构实现生物材料的表面功能化。主要研究结果如下：1. 利用水热反应在HAP、BCP表面重构微纳形貌，发现不同模拟体液处理后的陶瓷片形成的微纳形貌能调控巨噬细胞增殖、形貌以及极化表型；另外，通过改变水热反应时溶液的离子种类和反应温度能够为Sr2ZnSi2O7陶瓷穿上纳米矿化外衣，一方面可减少离子突释，另一方面还能促进rBMSC细胞粘附。2.利用盐介导的热氧化技术（ADD）在材料表面构建准周期纳米岛形貌，研究发现该形貌能在早期激活巨噬细胞释放细胞因子，在后期能够调控巨噬细胞向M2极化，能促进材料的骨整合。3.利用微接触印刷技术构建不同尺寸的沟槽结构、条纹蛋白图案以及具有条纹的金属有机框架（MOF）图案，发现这些结构能够调控细胞巨噬细胞（RAW264.7）、成骨细胞和间充质干细胞）的排列取向，增殖以及巨噬细胞的炎症因子表达。 4.为研究陶瓷降解造成的pH变化对细胞行为的影响，探索了不同pH值和条纹结构对间充质干细胞骨架形态的协同影响。结果发现pH为7.5时，细胞活力最佳，随着pH增加，细胞活力下降。5.研究发现50µg/ml的镁离子条件培养基和5µg/ml的硅离子条件培养基对间充质干细胞的增殖促进作用最明显。6.利用微接触印刷技术拓印了经不同模拟体液处理的硅酸钙和磷酸钙陶瓷因降解/再矿化形成的微纳形貌，发现该技术基本能完全拓印陶瓷降解重塑后的微纳形貌，为研究去耦合离子和pH来研究细胞行为提供了技术保证。