仿生矿化涂层对PET韧带材料生物相容性及腱骨愈合的影响

The graft selection of knee anterior cruciate ligament injury reconstruction is one of the research focuses of sports medicine. At present, a number of clinical studies have shown the efficacy and safety of artificial ligament are satisfied in the short-middle term,which is paid great attention internationally, but the biological tendon-bone healing still remains a problem. The preliminary study of hydroxyapatite (HAp) coating on the poly (ethylene terephthalate) (PET) surface could effectively induce the osteoblast differentiation, but the tendon-bone healing in vivo is not stable due to the ununiformity of the coating. As a green synthesis process,biomimetic mineralization can simulate the natural bone growth condition in vitro. This study is supposed to use silk fibrin implemented on HAp to biomimeticly regulate the coating on PET surface in order to achieve a more stable graft-bone healing effect through the new mineralization method.Through bone marrow stromal cell culture on PET surface and intra-external articular tendon-bone healing animal model, this study is to evaluate the cell biocompatibility and tendon-bone healing affects of silk/HAp mineralization coating in vitro and vivo, exploring the mechanism of osteogenesis differentiation, providing theoretical and experimental foundation for manufacturing the artificial ligaments meeting the clinical needs.

膝关节交叉韧带损伤重建的移植物选择是运动医学研究热点之一。目前多项临床研究均显示人工韧带的中短期疗效及安全性较为满意，已引起国内外学者高度关注,但仍存在移植物与骨的生物性愈合等问题。前期研究表明在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）人工韧带材料表面进行羟基磷灰石（HAp）人工涂覆可有效诱导成骨细胞分化，但由于涂层不均等问题，其对体内腱骨愈合的促进作用也不稳定。仿生矿化作为一种绿色合成工艺，能在体外模拟骨自然生长状态。本课题拟通过仿生调控的新型矿化方法,以丝蛋白为模板引导 HAp在PET材料表面形成均匀涂层，以达到较为稳定地促进移植物与骨愈合作用。本研究通过材料表面骨髓基质干细胞培养结合关节内、外腱骨愈合动物模型，从体外和体内两方面综合研究丝蛋白/HAp矿化涂层对PET材料细胞相容性及体内促腱骨愈合的影响，并探讨其促成骨分化机制，为进一步研制符合临床需求的人工韧带材料提供理论和实验依据。

本研究利用仿生矿化的方式，将丝蛋白涂层与HAp沉积相结合以改善人工韧带的生物相容性。研究内容主要有三部分：1.制备丝蛋白/HAp 仿生矿化涂层的PET 材料；2. PET 材料丝蛋白/HAp 仿生矿化涂层对骨髓间充质干细胞生物相容性的影响；3. 新西兰大白兔关节外腱骨愈合模型和比格犬前交叉韧带重建模型中PET 材料丝蛋白/HAp 仿生矿化涂层对移植物-骨愈合的影响。通过扫描电镜、原子力显微镜、红外光谱对制备的涂层进行表征，证实涂层的存在并且观察到涂层使材料表面的粗糙程度增加。体外细胞培养发现丝蛋白/HAp 仿生矿化涂层组中骨髓间充质干细胞的增殖、分化、粘附能力均强于对照组。动物实验通过两种模型组织切片观察到术后8周PET+丝蛋白/HAp组移植物骨界面组织更为成熟，移植物骨界面相对于PET组宽度明显缩小，且有新骨生成。力学实验发现术后8周PET+丝蛋白/HAp组的最大失败载荷及刚度值均大于对照组。通过生长因子检测发现术后4周和8周，PET+丝蛋白/HAp组移植物-骨愈合界面的BMP-7mRNA表达水平明显高于对照组。本研究证实了仿生矿化涂层方式对PET材料进行改性，可以有效改善材料的生物相容性，促进材料在体内的移植物—骨愈合效果，以满足临床人工韧带重建前交叉韧带的愈合需求。