载锶纳米管钛种植体通过影响细胞内质网应激水平促进早期骨结合

How to achieve faster and better osseointegration is the goal of titanium implant researches. Surface modification is one of the important ways to enhance the bone-bonding ability of titanium implants. Recently, we successfully constructed strontium-coated nanostructured coating on the surface of titanium implants and found that it has excellent osteogenic effect through a series of in vitro and in vivo experiments. Meanwhile, this special surface caused endoplasmic reticulum stress at the early time. Therefore, we presume that strontium-loaded nanotube structure can influence late-stage osteogenic differentiation through early regulation of endoplasmic reticulum stress. To confirm this hypothesis, this project aims to construct strontium-loaded nanotubes with different physicochemical parameters by adjusting the preparation conditions. The in vitro and in vivo experiments were conducted to evaluate the osteogenesis ability, the ER stress level, and the relationship between the twos. Through the research of this subject, we hope to obtain the optimal strontium-loaded nanotube morphology, and guide and optimize the design of the parameters of the implant topography by understanding the influence of surface modification on the endoplasmic reticulum.

如何取得更快更好的骨结合一直是钛种植体研究的目标。表面改性是提升钛种植体骨结合能力的重要方式之一。最近我们成功在钛种植体表面构建了含锶纳米管涂层结构，并通过一系列体内外实验发现其有优秀的促成骨功效，并发现这一特殊结构在细胞接触早期引起了内质网腔的明显扩张现象。因此，本课题提出载锶纳米管结构可通过早期调节细胞内质网应激水平来影响晚期的细胞成骨分化。为证实这一假设，本课题拟通过调控制备条件构建不同理化参数的载锶纳米管结构，通过一系列体内外实验评估其与单纯纳米管形貌、光滑钛形貌的促成骨能力，筛选并比较不同形貌促成骨功能强弱与内质网应激水平，尤其是与内质网应激中调节成骨分化相关的信号通路的表达水平的关系。通过本课题的相关研究，我们希望获得最优的载锶纳米管形貌，并通过理解表面改性对内质网的影响，指导并优化更广泛的种植体形貌参数设计。

众所周知，纯钛种植体已成为修复缺失牙的一种重要方式。如何缩短种植体愈合期，提高骨结合速率一直是钛种植体研究的热点方向。毫无疑问，与骨组织直接接触的种植体界面，在种植体的骨结合过程中发挥着非常重要的作用。近年来人们发现，采用阳极氧化的方式可以在纯钛表面构建纳米管阵列样形貌，而且这种特殊结构还可以加载其他元素而发挥特殊功效。锶作为与钙同族的趋骨元素，本身具有良好的成骨功效。因此，本课题在纯钛表面首先构建了纳米管样形貌，再在此形貌的基础上通过水热处理的方式建立了掺锶纳米管样的复合结构。通过一系列的体内、体外实验，评估了我们构建的这种新型结构的生物学功能，并探索了蕴藏在这种生物学功效背后的可能机制。.我们将纯钛植体放入氢氟酸溶液并使用阳极氧化的方式，调节电压和反应时间，成功构建出约70-100纳米管径的纳米管阵列样形貌，后续再使用氢氧化锶溶液高温水热处理的方式，将锶离子加载至我们制备的纳米管形貌中。我们首先采用场发射扫描电镜、能谱分析仪、接触角测量仪等工具对试样的理化形貌进行了测量，再通过细胞实验以及动物实验对试样的成骨功效进行了评估。我们发现，与未处理的纯钛表面相比，含锶纳米管样结构具有更优秀的体外、体内成骨效果。这提示我们，我们这种新制备的涂层结构可成为优化纯钛种植体表面形貌的一种新选择。为了探究其优秀成骨功效的背后机理，我们使用第三代高通量测序的手段比对了纯钛、纳米管以及载锶纳米管结构在干细胞接种后的基因表达水平差异，通过生信分析、荧光标记、蛋白组学、药物干预等方式，我们发现纳米管组和载锶纳米管组均显著提高了与细胞骨架、核骨架相关基因的表达水平，因此我们推测，这种特殊结构的良好成骨功效可能来源于强化过的细胞骨架引起的机械传导作用。本课题的这一发现是第一次将机械传导理论与载锶纳米管结构的成骨作用联系起来，为解释这种特殊形貌的生物功效提供了新的方向。