乙酰半胱氨酸纳米粒对丝素基磷酸钙骨水泥生物学特性影响及成骨调控机制的研究

Kyphoplasty has been defined as a minimally invasive, effective treatment for vertebral compression fractures. Currently, the injectable bone cement includes PMMA and CPC. There are several disadvantages in PMMA, such as high polymerization temperature, monomer toxicity, nondegradable. However, brittleness, lack of strength and osteoinduction also limited the clinical usage of CPC. Prior experiment of our department showed silk fibroin enhanced CPC could improve mechanical properties in strength and tenacity. NAC is an anti-oxidant amino acid derivative. It possibly modulates osteoblastic differentiation. However, the half-life of NAC is quite short. It’s hard for NAC to take effect for a long time. Based on the result of prior study, we propose the hypothesis that introduction of chitosan/NAC nanopartides can increase the osteogenic stimulation ability of silk fibroin enhanced CPC, and make it possible to take effect of osteogenic stimulation for a relatively long time. To verify our hypothesis, we use mice osteoblast cell line MC3T3 and sheep vertebrae defect model to detect mechanical property and osteogenetic activity, to test its biological safety by molecular biology, morphology and biomechanics methods, which can provide new material in repairing vertebrae defect.

椎体后凸成形术治疗椎体压缩骨折等疾病具有创伤小、疗效确切等优点。其常用的可注射骨水泥包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和磷酸钙（CPC）骨水泥。但PMMA聚合温度高、单体毒性、生物相容性差、不可降解；CPC骨水泥脆性大、强度差、缺乏成骨诱导活性、降解速度慢，限制了二者的临床应用。乙酰半胱氨酸（NAC）被证实具有很强的抗氧化、促成骨作用，但半衰期短，故临床所需剂量大，且难以持久发挥作用。我们的前期研究显示丝素蛋白可以增强CPC骨水泥的力学性能，在此基础上本课题在丝素基磷酸钙骨水泥中引入壳聚糖/NAC纳米粒，实现NAC缓慢释放，持久发挥其抗氧化、促成骨作用，改善丝素基磷酸钙骨水泥的成骨活性。本课题采用分子生物学、组织形态学、生物力学等方法从分子、细胞、动物水平多层次检测复合骨水泥力学性能及生物安全性，研究其成骨活性，并进一步探讨其促成骨作用机制，为椎体内骨缺损的修复提供新型的充填材料和研究思路。

目的：骨缺损修复是骨组织工程研究的重要内容，磷酸钙因与骨组织无机成分相似且具有良好的生物相容性已渐成为骨修复研究的热点，但目前用于椎体填充的磷酸钙骨水泥其生物相容性与物理属性仍未能达到良好统一。本研究通过在α-磷酸三钙（α-tricalcium phosphate, α-TCP）中引入壳聚糖（Chitosan, CS）、乙酰半胱氨酸（N-Acety-L-Cysteine，NAC）及丝素蛋白（Silk Fibroin，SF），制备新型负载壳聚糖-乙酰半胱氨酸纳米粒的丝素基磷酸钙骨水泥（CS-NAC/SF/CPC）。并对该复合骨水泥抗压强度、固化时间等物理性能，细胞相容性和成骨性能等生物学性能进行研究。.方法：离子凝胶法制备CS-NAC纳米粒溶液，加入适量体积的CS-NAC纳米粒溶液至SF溶液中，以CS-NAC/SF溶液作为固化液，以液固比0.4加入到α-TCP粉相中制备CS-NAC/SF磷酸钙骨水泥（CS-NAC/SF/CPC）。使用透射电镜、红外光谱等仪器对合成的CS-NAC纳米粒进行表征，同时体外检测复合骨水泥的力学强度、固化时间及内部结构；并通过CCK-8试剂及茜素红染色定性评估复合材料对细胞增殖、成骨诱导的影响；以大鼠股骨髁构建骨缺损模型，植入CS-NAC/SF/CPC复合材料，评价成骨性能。.结果：透射电镜、红外光谱、拉曼光谱进行复合骨水泥结构观察、组分分析表明本实验成功合成了纳米级的CS-NAC颗粒，SF、CS/SF、NAC/SF、CS-NAC/SF引入α-TCP可提高骨水泥的抗压强度，改善固化时间。复合骨水泥浸提液体外培养细胞，表明复合材料对细胞无明显毒性作用，CS-NAC的引入在一定程度上可以促进细胞增殖和成骨。.结论：本研究成功制备了CS-NAC纳米粒，负载CS-NAC纳米粒的丝素基磷酸钙骨水泥可明显改善磷酸钙骨水泥的理化属性，抗压性能增高，固化时间缩短，材料细胞毒性小，具有良好的生物相容性和成骨特性，有望在骨组织工程中进一步应用。