新型生物压电陶瓷人工骨支架修复大段骨缺损的机制研究

Reconstruction of large bone defect is one of the most challenging problems in the orthopedics field. The applicant applied 3D printing technology to prepare a new type of biopiezoelectric ceramic bone scaffold of barium titanate-calcium phosphate silicate (BT-CPSP), which showed good piezoelectric properties and ability to promote bone cell adhesion. It is speculated that BT-CPSP biopiezoelectric ceramics may promote the proliferation and differentiation of osteoblasts by activating Piezo1 channel and increasing calcium influx. This project aims to optimize the conditions for preparing BT-CPSP biopiezoelectric ceramics to promote bone properties; to determine whether BT-CPSP biopiezoelectric ceramics can directly promote osteoblasts proliferation and differentiation by activating Piezo1 channel; to explore the regulatory role of calcium influx on integrin/integrin-linked kinase pathway under Piezo1 activation, and to clarify that Piezo1 promotes osteoblast proliferation and differentiation through regulating integrin/integrin-linked kinase pathway, and clarify the molecular mechanism of BT-CPSP biopiezoelectric ceramics in promoting osteogenesis. This project will provide a strong theoretical basis for the clinical application of the novel BT-CPSP biopiezoelectric ceramics in treating large bone defects with great social and economic benefits.

大段骨缺损的修复重建是骨科临床最具挑战性难题之一。申请人前期应用3D打印技术制备了钛酸钡-磷硅酸钙（BT-CPSP）新型生物压电陶瓷骨支架，具有良好的压电性及促成骨细胞粘附能力。通过系列前期工作推测，BT-CPSP生物压电陶瓷可能通过活化Piezo1通道，促进钙离子内流，促进成骨细胞增殖分化。本项目拟先探索BT-CPSP生物压电陶瓷发挥促成骨性能的最佳优化条件；明确BT-CPSP生物压电陶瓷是否通过活化Piezo1通道直接促进成骨细胞增殖分化；探索Piezo1活化下钙离子内流对整合素/整合素连接激酶途径的调控作用，阐明Piezo1通道开放通过整合素/整合素连接激酶途径促进成骨细胞增殖分化的作用，明确BT-CPSP生物压电陶瓷发挥促成骨功能的分子机制。本项目的开展将为实现BT-CPSP生物压电陶瓷在修复大段骨缺损的临床应用提供有力理论依据，极具社会效益和经济效益。

压电陶瓷可以作为能量转换的功能智能材料，能将机械应力产生的形变转化为电效应。将它植入骨内后，不需要外部电刺激，仅靠机体自身机械活动即可产生压电效应，利用材料与机体良好的电学相容性达到促进骨生成的目，具有很好的应用前景。本研究制备了钛酸钡/磷酸钙（BT/β-TCP）多孔压电陶瓷支架，并进行了支架表面及结构特征分析、压电特征分析以及力学性能分析。随后，我们将低强度脉冲超声（LIPUS）作为额外的机械刺激应用于BT/β-TCP支架培养MC3T3-E1成骨细胞，并观察其对成骨细胞作用，主要包括细胞附着与形态、细胞增殖与凋亡及分化成骨情况。最后，观察细胞内钙离子情况和通道蛋白表达情况探索LIPUS加载下BT/β-TCP支架增强成骨细胞活性的作用机制。我们研究结果发现，制备的BT/β-TCP支架具备理想的表面特征及亲水性，其孔隙率，抗压强度及压电特性与松质骨相似，具有作为骨支架的应用良好前景。细胞试验发现BT/β-TCP支架在LIPUS加载下相比LIPUS加载的β-TCP支架、无LIPUS加载BT/β-TCP支架及β-TCP支架具备更好地生物相容性，能更好地促进MC3T3-E1细胞的黏附、增殖和分化，并降低细胞凋亡的发生。我们可以认为LIPUS在BT/β-TCP支架增强成骨细胞活性中起到了重要作用。BT/β-TCP支架在LIPUS加载下相比LIPUS加载的β-TCP支架、无LIPUS加载BT/β-TCP支架及β-TCP支架具有更高的细胞内Ca2+浓度，Pizeo1通道在这一过程起到主要重要。本研究的压电陶瓷支架在修复骨缺损的临床应用提供了有力理论依据，具有一定的社会效益和经济效益。