P-AG-MSN缓释微球在三维框架组织工程骨血管化及抗菌中的作用研究

Large-segmental bone defect after comminuted fracture, tumor or osteomyelitis lesions clearing is one of challenges for orthopedists. Current bone repair materials often have insufficient bioactivity, poor repair effect and incapability to defend external bacterial infection and other defects. Biomaterials repairing bone defect should possess such properties as osteoinductive, vascularization promotion at fracture end and strong antibacterial ability. The research group has successfully constructed 3-dimensional framework bioactive bone tissue engineering scaffold using 3D print technology in preliminary study stage, and has verified that PDGF-BB can significantly promote the formation of bone tissue microvascular. How to induce long-term BMSCs vascularization by enhancing PDGF-BB sustained-release so as to establish bone tissue microvascular is a pressing problem to address. Using silver-loaded mesoporous silica (AG-MSN）to load and gradually release PDGF-BB for long-term induction of BMSCs vascularization represents a new strategy to realize the formation of tissue engineering bone microvascular. The main objective of the study is to explore the vascularization and antibacterial effect of AG-MSN multifunctional mixture （P-AG-MSN）loaded with PDGF-BB on BMSCs, so as to construct a completely-new active biological scaffold in possession of BMSCs ossification and vascularization induction and antibacterial effecting 3D print technology.

粉碎骨折、肿瘤或骨髓炎病灶清除后大段骨缺损是骨科医生面临的挑战之一。现今的骨修复材料多存在生物活性不足、修复效果不佳及无法抵御外界细菌感染等缺陷。作为修复骨缺损的生物材料应具有诱导骨形成、促进骨折端血管化和抗菌能力强等特性。课题组前期利用3D打印技术成功构建三维框架生物活性骨组织工程支架，并证实PDGF-BB可明显促进骨组织微血管形成。如何使PDGF-BB缓慢释放，长期诱导BMSCs成血管化，建立骨组织微血管是我们迫切需要解决的问题。利用载银介孔氧化硅（AG-MSN）携载并逐步释放PDGF-BB，长期诱导BMSCs成血管化是实现组织工程骨微血管形成的一个新的策略。本研究的主要目的是探讨携载PDGF-BB的AG-MSN多功能混合物（P-AG-MSN）对BMSCs的成血管化作用及其抗菌效应，以期结合3D打印技术构建出全新的兼有诱导BMSCs成骨化、血管化及抗菌作用的活性生物支架。

骨缺损的治疗是骨科棘手难题，构建具有诱导骨形成、促进血管化和抗菌能力的材料将为骨缺损的治疗带来新的曙光。以MSN为载体,负载Ag、PDGF-BB构建P-Ag-MSN缓释微球，评价其细胞毒性，促成骨、促血管形成和抗菌作用，结果表明微球可实现Ag+及PDGF-BB缓释，CCK-8法检测无明显细胞毒性，P-Ag-MSN对于大肠杆菌、铜绿假单胞菌、白色念珠球菌均有杀菌效果，对金黄色葡萄球菌无明显杀菌效果。 P-Ag-MSN可促进BMSCs成骨相关基因OCN、OPN、Runx2表达，BMSCs经P-Ag-MSN诱导后出现微血管网形成，在P-AG-MSN的作用下，BMSCs分泌的VEGF明显增多,HIF-1α、HGF和Ang-1的表达也明显增加。因此，本次研究成功构建能够诱导骨髓间充质干细胞（BMSCs）多向分化，同时具有抗菌效能的单一生物材料系统。此外，为提高钛基植入物的骨诱导性以及抗菌性，我们基于钛基材料使用 CS原位调控脉冲电沉积制备HA/Ag 涂层，探究较佳制备条件，并对复合纳米涂层进行表征与分析，结果提示：本研究的较佳实验条件为脉冲电位 0~-1.3V、Ca2+浓度5 mmol·L-1、Ag+浓度为 0.50 mmol·L-1。HA/Ag/CS纳米复合涂层具有优异的生物诱导活性、耐磨性和生理稳定性，且对于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌和铜绿假单胞菌具有优异的抗菌性能，对成骨细胞和血管内皮细胞的增殖无不良影响，能诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化。体外细胞毒性测试的结果证明了HA/Ag/CS复合涂层具有优良的细胞相容性，体内毒性实验表明其对于肺，骨骼肌和心肌无毒性反应，而在肾脏细胞和肝脏细胞出现轻微毒性反应，表明该抗菌材料剂在骨修复治疗期间对大鼠无明显的副作用。因此，HA/Ag/CS复合涂层可提高钛基植入物的骨诱导性以及抗菌性，为临床构建新的钛基植入物提供了新的思考。最后，为解决外固定架螺钉松动，钉道感染等并发症，建立大鼠股骨外固定架螺钉效能验证模型，为今后表面改性材料深入研究奠定基础。对该模型从组织学、影像学、生物力学进行分析，可对钉道情况进行全面的测评，具有较好的科研、临床应用价值。