具有微纳米组合结构的羟基磷灰石生物陶瓷对免疫调控成骨的影响及机理研究

There are many problems to be solved in the clinical use of bone substitute materials to repair alveolar bone defects. Previous research has focused on the studies of osteogenesis of stem cells promoted by biomaterials, however, it was ignored the important role of the inherent immune cells, such as macrophages, in bone regeneration, leading to inconsistent osteogenesis in vitro and in vivo. In this study, we propose to prepare hydroxyapatite (HA) ceramics with micro-nano-hybrid structure that could promote osteogenesis and angiogenesis, and systematically study the biological function of macrophages as well as its association with JAK/STAT3, PI3K/AKT and JNK signaling pathways regulated by micro-nano-hybrid structure on bioceramic surface and cascade will be further estabished. The co-culture of macrophages and BMSCs under the action of micro-nano-hybrid structure will be carried out to explore whether there is synergistic or inhibitory effect between the two, which will make the experiments in vitro closer to the environment in vivo. Furthermore, dog alveolar bone defect was applied to study the chemotaxis and regulation of inflammatory cells and stem cells, and then explore the polarization and biological functions of macrophages by HA bioceramics with micro-nano-hybrid structure at different stages of bone regeneration. This study is expected to reveal how the micro-nano-hybrid structure of HA bioceramics affects the immune response and further influence the osteogenesis by studies in vivo and in vivo, and then provide the theoretical foundation and experimental basis for guiding the design of osteogenic inducing biomaterial with more rational physical and chemical properties.

临床中利用骨替代材料修复牙槽骨缺损还有许多问题有待解决。以往研究多关注于生物材料促进干细胞成骨，而忽视了巨噬细胞等固有免疫细胞在骨修复中的重要作用，导致体内外成骨效应不一致。本课题拟制备具有促成骨/成血管的微纳米组合结构的羟基磷灰石（HA）陶瓷，并系统研究生物陶瓷的微纳米组合结构调控巨噬细胞生物学功能及其与JAK/STAT3、PI3K/AKT和JNK信号通路关联及级联反应；通过微纳米结构作用下巨噬细胞—BMSCs共培养探索两者间是否存在协同或抑制作用，从而模拟体内的成骨微环境；并采用犬牙槽骨缺损动物模型，研究材料对炎症细胞和干细胞的趋化及调控作用，探明具有微纳米组合结构的HA生物陶瓷对于骨再生不同阶段巨噬细胞的极化和生物学功能的影响。本研究可望通过体内外研究揭示HA生物陶瓷表面微纳米组合结构如何影响免疫反应并进一步影响成骨，为指导设计出更理想理化性能的成骨材料提供理论与实验依据和研究基础。

生物陶瓷材料研究是骨修复材料领域的一个重要课题。理想的骨修复材料应具有良好的生物活性，能促进细胞的粘附、增殖、分化，并诱导成骨、成血管等组织再生。通过材料的表面的形貌及化学组分设计可以显著提高材料的生物学性能。而以往研究多关注于生物材料促进干细胞成骨，而忽视了巨噬细胞等固有免疫细胞在骨修复中的重要作用，导致体内外成骨效应不一致。本项目分别对材料表面微纳米结构形貌以及材料中释放的活性元素在成骨、成血管以及对巨噬细胞的免疫调控进行了系统的研究。体外细胞培养和体内骨修复性能研究表明表面微纳米结构的HA可以促进间充质干细胞的粘附、增殖、成骨成血管向分化，诱导巨噬细胞从M1向M2极化，巨噬细胞形成的炎性微环境同时还可以调控BMSCs的成骨向分化，巨噬细胞的极化参与了体内骨修复的调控。此外，发现掺锶元素的HA生物陶瓷可以促进间充质干细胞自分泌更高的成骨相关基因ALP、COL-1、OPN和OCN和成血管相关基因VEGF、ANG-1，CD31和HIF-1α，Sr元素可能通过Erk信号通路促进骨形成，通过PI3K/AKT信号通路促进血管形成，揭示了掺锶元素的HA生物陶瓷材料具有促进血管发生的潜能。此外，我们还发现CS陶瓷材料中的元素成分可以促进巨噬细胞表型向M2极化，经CS材料元素预处理的巨噬细胞条件培养基可以刺激BMSCs成骨向分化显著增强，提示巨噬细胞极化在生物材料诱导成骨中的重要作用，其发生机制可能是巨噬细胞条件培养基中的OSM通过ERK1/2和JAK3途径促进BMSCs的成骨分化。这些发现提高了我们对生物活性陶瓷免疫调节的认识，并促进了提高骨替代材料体外成骨能力的策略。本研究的相关成果为新型生物活性骨修复材料在结构和化学组成上的设计奠定了良好的基础，具有重要的理论意义和实际应用价值。