硅酸钙生物活性陶瓷促进内皮细胞血管化及其机制的研究

The establishment of a functional vasculature is a critical aspect for large tissue-engineered bone constructs. Recent studies have shown that certain bioactive materials can stimulate angiogenesis. Calcium silicate is a bioactive ceramic for bone tissue engineering with excellent bioactivity, proper biodegradation and osteogeneic potential. Our preliminary studies have observed the stimulation of ion products of calcium silicate on angiogenic response of endothelial cells, which indicating the angiogenic potential of calcium silicate. This project first investigates the angiogenesis stimulation of calcium silicate's ion products on human umbilical vein endothelial cells (HUVECs), reveals the relationship between different ion products and angiogenesis of HUVECs and determines the optimal ion products that can stimulate angiogenesis of HUVEC.Meanwhile, the molecular mechanism of this stimulation effect is studied through evaluation of certain critical angiogenesis growth factors and subsequent signal pathways. Then, composite scaffolds containing different content of calcium silicate and polylactic acid (PLA) are fabricated and angiogenesis of endothelial cells on these composite scaffolds are investigated to reveal the effects of the content of calcium silicate in the composite scaffolds and the porous structure scaffold on the angiogenesis of HUVECs. After that, one or two calcium silicate/ PLA composite scaffolds with proper angiogenic potential are designed through adjusting the content of calcium silicate and porous structure of scaffolds. Finally, in vivo studies are performed to verify the in vitro results and the design of compoiste scaffolds are modified according to the in vivo results.

新生血管的形成对于体外构建的大块组织工程骨在体内存活、功能化并最终促进骨缺损修复至关重要。近期研究发现，一些生物材料本身具有促进血管化的功能。前期研究结果显示硅酸钙生物活性陶瓷具有促进新骨形成的潜力而且其离子产物能促进内皮细胞产生血管化反应，显示该类材料也具有促进内皮细胞血管化的潜力。本项目研究硅酸钙的离子产物对内皮细胞血管化的促进作用，探索不同离子产物与内皮细胞血管化的关系，确定能促进内皮细胞血管化的硅酸钙离子微环境。同时，通过检测血管标记因子表达以及信号通道的激活或抑制，深入探索硅酸钙促进内皮细胞血管化的分子机制。在此基础上，构建硅酸钙/聚乳酸复合多孔支架材料，确定该多孔支架材料的组成与结构对内皮细胞血管化的影响并通过调整硅酸钙与聚乳酸的复合比例以及支架的结构来设计能促进内皮细胞血管化的多孔支架材料。最终，通过体内植入实验验证体外实验结果并根据体内实验结果适当修正硅酸钙/聚乳酸复合支架

新生血管的形成对于体外构建的大块组织工程骨在体内存活、功能化并最终促进骨缺损修复至关重要。目前已有的促进组织再生过程中血管再生的办法主要是利用材料携带血管生长因子并通过血管生长因子的释放来达到促进血管长入植入材料内部。 然而，使用生长因子会涉及到成本高昂，材料加工过程中生长因子易失效以及生长因子在体内的释放行为难以控制等缺点和无法掌控的风险。近期有少量研究发现，硅酸盐生物活性玻璃的离子产物具有促进内皮细胞行行程血管的功能。因此，我们设想：有些生物活性材料本身的生物活性就能促进血管再生，从而不需要额外利用生长因子。我们前期研究结果显示硅酸钙生物活性陶瓷，一类在组成上和生物活性玻璃很接近的生物陶瓷，具有促进新骨形成的潜力而且其离子产物能促进内皮细胞产生血管化反应，显示该类材料也具有促进内皮细胞血管化的潜力。为了证实我们的设想，本项目研究硅酸钙的离子产物对内皮细胞血管化的促进作用，探索不同离子产物与内皮细胞血管化的关系，确定能促进内皮细胞血管化的硅酸钙离子微环境。同时，通过检测血管标记因子表达以及信号通道的激活或抑制，深入探索硅酸钙促进内皮细胞血管化的分子机制。研究结果显示，硅酸钙离子产物中的硅离子在一定浓度范围(0.7-1.8 ug/ml)内可以促进内皮细胞自分泌更多的血管内皮生长因子（VEGF），并激活自身上VEGF的受体KDR的表达，由此上调细胞中的一氧化氮的表达并最终激活血管再生信号通道。此外，在组织再生过程中，内皮细胞与其他细胞交流非常紧密，能够通过旁分泌效应促进内皮细胞形成新生血管。为了进一步模拟体内的微环境，本项目进一步研究了硅酸钙对内皮细胞与成纤维细胞相互交流的影响以及硅酸钙对内皮细胞与骨髓间充质干细胞相互交流的影响并进行了分子机理探讨。结果显示：硅酸钙离子产物中的硅离子能够促进内皮细胞与其他细胞的旁分泌效应并最终促进内皮细胞血管再生。在此基础上，为了开发可用于骨组织再生的材料，我们构建了硅酸钙/聚乳酸复合多孔支架材料，确定该多孔支架材料的组成与结构对内皮细胞血管化的影响并通过调整硅酸钙与聚乳酸的复合比例以及支架的结构来设计能促进内皮细胞血管化的多孔支架材料。最终，通过体内植入实验验证体外实验结果并根据体内实验结果证实含有10%硅酸钙的复合支架最能促进体内成骨成血管。