BMP-2缓释型含锌骨修复材料的构建及协同成骨和抗炎作用机制研究

Based on the regenerative medicine approach, the fabrication of scaffolds with bone induction and anti-inflammatory ability to repair the bone defect has been a focus of attention. Bone morphogenetic protein (BMP-2) is the strongest growth factor for osteogenesis by activating Smad pathway. However, it will be suppressed by NF-кB pathway. Zinc, the trace element, also has its potential for osteogenesis by antagonazing NF-кB activation. Meanwhile, zinc is a good immunity modulator and can inhibit the production of inflammatory cytokines. Thus, the scaffold containing BMP-2 and zinc element has the effect on synergetic bone induction and anti-inflammation. In the previous work, we have developed a novel amorphous calcium phosphate/poly(L-lactic acid) (ACP/PLLA) material which could experience morphological variations in the microstructure and the growth factor controlled releasing system was then established. In this study, the BMP-2 controlled releasing and zinc containing ZnACP/PLLA composite is to be prepared. The composite is to be seeded with bone mesenchymal stem cells (bMSCs) and macrophages in vitro respectively. The effects on the osteogenesis and anti-inflammation together with their mechanisms are to be evaluated. The bone defect model is to be established, and BMP-2 controlled releasing ZnACP/PLLA composite is implanted and the efficacy for bone regeneration is evaluated.

通过再生医学的方法来构建具有促进成骨和抗炎作用的生物材料是治疗骨缺损的研究热点。骨形态发生蛋白（BMP-2）是最强的骨诱导剂，通过Smad信号通路促进成骨，但会被NF-кB通路抑制。微量元素锌（Zn）也具有成骨效应，其机制为拮抗NF-кB通路促进成骨。同时锌是良好的免疫调节剂，能抑制炎性因子的表达。因此，构建含锌和BMP-2的支架材料不仅能协同成骨且具有抗炎作用。本课题组在前期工作中已制备出一种新型的纳米无定形磷酸钙/聚乳酸（ACP/PLLA）复合材料，并利用该材料微观形貌自变化的特性构建了生长因子的缓释体系。本项目拟将锌和BMP-2整合入该支架材料中，构建BMP-2缓释型的ZnACP/PLLA复合体系。通过体外细胞实验评价该复合体系的成骨诱导和抗炎作用，并对材料中锌的抗炎机制及BMP-2和锌的协同成骨作用机制进行研究。将该复合材料体系植入骨缺损处，评价其在骨缺损中的修复效果和应用前景。

目前组织工程被视为是治疗因创伤、感染以及肿瘤切除引起的骨缺损的一种有前景的方法。其中，微量元素锌（Zn）具有成骨效应，同时锌是良好的免疫调节剂，能抑制炎性因子的表达，是骨组织工程中常用的一种材料。因此本课题旨在制备一种含锌的ACP/PLLA材料，并用于骨修复。首先，本课题组制备出一种新型的纳米无定形磷酸钙/聚乳酸（ACP/PLLA）复合材料，通过SEM我们发现其微观结构为阶梯状多孔材料，通过MTT试验我们发现含ACP的PLLA材料能够促进细胞增殖，在SEM下我们发现能ACP/PLLA增强成骨细胞对材料的粘附作用。然后通过QPCR的方法，我们发现相比于PLLA材料，ACP/PLLA材料能够上调integrin/FAK通路基因的表达，从而证明该复合材料能够通过上调integrin/FAK信号通路而增强成骨细胞对材料的粘附。随后我们构建了含锌的ACP/PLLA支架。通过SEM我们观察到该支架是一种多孔复合材料，并且具有一定的锌缓释能力，在增强细胞粘附能力的同时，不影响细胞增殖。体外研究发现，含锌的ACP/PLLA支架能够上调成骨相关基因：ALP、BMP-2、Smad1以及OCN的表达水平。在炎症抑制方面，含锌材料能够在体内抑制炎症细胞的聚集，比如淋巴细胞和中性粒细胞。同时，在体外实验中，含锌ACP/PLLA 材料还能够抑制巨噬细胞分泌炎症因子 IL-6、 TNF-α，上调炎症抑制因子 IL-10 的表达。为了验证体内成骨能力，我们用了大鼠颅骨缺损模型。在植入PDPCs和材料后，细胞追踪结果显示含5%锌的ACP/PLLA组最有利于干细胞存活。同时X线成像证明5%锌的ACP/PLLA组成骨能力最强。组织学结果也从另一个方面证明了这一结果。综上，含锌的ACP/PLLA材料不仅可以诱导成骨，同时可以抑制炎症，是一个有前景的骨组织工程材料。