含匹伐他汀涂层表面改性的钛植入体促成骨化及促血管化的共调控作用与分子机制研究

Surface modifications of titanium implant to facilitate its early osseointegration is an important method in the field of metallic biomaterials modification research. Recent studies indicated that the growth of blood vessels in bone and osteogenesis are coupled during bone growth and regeneration process, and therefore development of bone repair biomaterials with enhanced angiogenesis and osteogenesis effects has becomes a hot research topic in the field of bone regeneration medicine. In this project, the pitavastatin loaded β-cyclodextrin grafted chitosan and gelatin are used as polyelectrolytes to construct a pitavastatin coating film structure on titanium substrates via a layer-by-layer (LBL) assembly technique. Promoted effects of multilayer structure on osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells and angiogenesis of endothelial cells, as well as bone regeneration and repair in the rat subcutaneous and bone defect transplantation model are investigated. In particular, the regulation effects of pitavastatin containing film coated titanium substrates on the cell-cell interaction between angiogenesis and osteogenesis, and the underlying molecular mechanism will be further studied. The findings will not only improve the theory for design and fabrication of titanium surface modification strategy, but also provide a basis research for its clinical application.

通过表面改性技术加快钛植入体早期骨整合修复进程是当前医用金属材料改性研究的重要手段。研究表明，在骨生长与再生过程中成骨化与成血管化耦合发生，因此研发具有促成骨化与促血管化作用的骨修复材料已成为骨再生医学领域研究的热点方向。本项目拟采用层层组装技术，利用装载匹伐他汀的β环糊精接枝壳聚糖和明胶在钛材表面构建含匹伐他汀涂层膜结构，研究多层膜结构在体外条件下对间充质干细胞的促成骨分化作用和对内皮细胞的促血管化作用，以及在大鼠皮下移植和骨缺损移植模型中对钛材表面-组织促骨再生的修复作用，重点探究含匹伐他汀涂层对促成骨化和促血管化交互作用的影响规律，揭示其内在分子机制。本研究不仅可进一步完善钛材表面改性策略设计及制作理论，同时可为其临床应用提供实验研究基础，具有重要的科学意义和应用价值。

研究表明，在骨生长与修复过程中成骨化与成血管化耦合发生，因此研发具有促成骨化与促血管化作用的表面改性策略，加快钛植入体等金属骨修复材料体内植入后的骨修复进程，已成为骨再生医学领域研究的热点方向。本研究首先利用β环糊精修饰低分子量壳聚糖获得β环糊精-壳聚糖接枝物，并以环糊精疏水环加载匹伐他汀，获得β环糊精-壳聚糖@匹伐他汀阳离子聚电解质，并以明胶为阴离子聚电解质，利用层层静电自组装技术在钛材表面构建含匹伐他汀涂层膜结构，并对表面改性后的钛材表面进行表征，并对多层膜结构的载药量，药物释放特征进行表征。体外细胞实验表明，匹伐他汀多层膜结构可以促进间充质干细胞（MSCs）的粘附，迁移，增殖，与成骨分化；以及内皮细胞（HUVECs）的粘附，迁移与微管形成。匹伐他汀多层膜结构还可以上调HUVECs促成骨相关因子，如BMP2，BMP4，Wnt3a及Wnt5a等的分泌，由此增强共培养体系中MSC的跨膜迁移以及成骨分化；同时也可以上调MSCs促血管化细胞因子，如VEGF，bFGF等因子分泌水平，由此增强共培养体系中HUVECs的跨膜迁移以及微管形成。通过构建大鼠皮下移植和骨缺损移植模型，实验结果表明，匹伐他汀多层膜改性钛材周围CD29+CD44+双阳性干细胞数量，CD34+和H型微血管（EMCN+CD31+）数量都显著高于对照组，表明其可以有效促进移植物周围干细胞归巢及血管化水平；micro-CT影像学以及组织学染色结果证实匹伐他汀多层膜改性钛材骨新生量显著高于对照组。本研究成功构建了一种基于匹伐他汀载药，且兼具促成骨与促血管化的生物医用金属植入体表面涂层策略，并从分子-细胞-动物三个层面，系统揭示了其促成骨机制，不仅为构建新型促骨修复策略提供新的思路，同时可为其临床应用提供实验研究基础。