由創(chuàng)傷、感染、腫瘤和骨質(zhì)疏松引起的臨界骨缺損治療仍是難題。外科手術(shù)通常將骨替代材料植入骨缺損區(qū)域，起到填充和修復(fù)的作用。該手術(shù)的成功在很大程度上依賴于可注射生物材料。植入生物材料激活由巨噬細(xì)胞組成的免疫反應(yīng)對(duì)成骨產(chǎn)生重要影響，生物活性材料通過促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2型（抗炎型）極化而表現(xiàn)出成骨特性。血管生成是成骨過程中的一個(gè)必要步驟，新生血管提供的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，有利于隨后新骨的形成。因此，開發(fā)一種具有調(diào)控免疫、成血管和成骨的可注射骨水泥是十分必要的。
近期，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)藥所人體組織與器官退行性研究中心潘浩波團(tuán)隊(duì)制備了一種具有調(diào)控免疫，成血管和成骨功能的可注射骨水泥，相關(guān)研究以“Spontaneous immunomodulation and regulation of angiogenesis and osteogenesis by Sr/Cu-borosilicate glass (BSG) bone cement to repair critical bone defects”為題發(fā)表在“Bioactive Materials”雜志上。
文章來源：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.10.021
本研究制備一種新型具備適度促進(jìn)巨噬細(xì)胞由M1型向M2型極化，增強(qiáng)骨缺損區(qū)域血管化和誘導(dǎo)新骨生成功能的骨水泥。這種骨水泥的物理化學(xué)性質(zhì)滿足可注射骨水泥的應(yīng)用要求，并且通過調(diào)控免疫，成血管和成骨來修復(fù)兔股骨髁臨界骨缺損（直徑6mm圓柱形骨缺損）。設(shè)計(jì)思路：Cu和Sr離子已被發(fā)現(xiàn)具有抗炎、促進(jìn)血管生成和成骨生成的功能，制備含Sr、Cu元素硼硅酸鹽生物活性玻璃（Sr/Cu-Borosilicate bioactive glass, Sr/Cu-BSG）作為骨水泥的固相，含殼聚糖、檸檬酸和葡萄糖的溶液為骨水泥液相。Sr/Cu-BSG骨水泥具有良好的可注射性，合理的固化時(shí)間，適宜的機(jī)械強(qiáng)度，以及調(diào)控免疫，成血管和成骨的能力。
圖1 Sr/Cu-BSG骨水泥固化機(jī)制和生物活性
分析pH檢測(cè)和FTIR（傅里葉變換紅外）光譜圖像，Sr/Cu-BSG骨水泥的固化機(jī)制主要包含以下三個(gè)相互協(xié)同的過程：1.Sr/Cu-BSG骨水泥固相與液相混合后，液相酸堿環(huán)境由酸性變?yōu)閴A性，促進(jìn)了液相中殼聚糖的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化，使骨水泥顆粒具有初始固化強(qiáng)度；2.Sr/Cu-BSG骨水泥中析出的鈣離子在骨水泥液相中與磷酸鹽反應(yīng)生成羥基磷灰石并形成緊密連接；3.高化學(xué)反應(yīng)活性的硼硅酸鹽生物活性玻璃和殼聚糖之間形成化學(xué)螯合。其中后兩個(gè)過程使Sr/Cu-BSG骨水泥在固化后期具有良好的力學(xué)性能。Sr/Cu-BSG骨水泥在PBS溶液中浸泡7、14和21天后的XRD和FTIR光譜圖像表明，Sr/Cu-BSG骨水泥在PBS溶液中浸泡后的反應(yīng)產(chǎn)物為羥基磷灰石，而且產(chǎn)生羥基磷灰石的量隨著浸泡時(shí)間延長而增加。
圖2 Sr/Cu-BSG骨水泥體外免疫調(diào)控和成血管性能
流式檢測(cè)結(jié)果表明Sr/Cu-BSG骨水泥誘導(dǎo)Raw264.7向M2型極化，qRT-PCR結(jié)果表明Sr/Cu-BSG骨水泥顯著下調(diào)Raw264.7促炎相關(guān)基因（IL-1β和IL-6）表達(dá)水平，并且上調(diào)抗炎相關(guān)基因（IL-1Ra和TGF-β）表達(dá)水平。人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）血管形成試驗(yàn)-鈣黃綠素染色顯示：Sr/Cu-BSG骨水泥組有不同程度的新生血管形成（綠色熒光），其中以5Sr3Cu組和0Sr3Cu組新生血管較多且密集。qRT-PCR結(jié)果表明Sr/Cu-BSG骨水泥可顯著上調(diào)HUVECs成血管相關(guān)基因VEGF、bFGF、VEGFR1和VEGFR2表達(dá)水平。
圖3 Sr/Cu-BSG骨水泥體外生物相容性和成骨性能
細(xì)胞增殖、活死和骨架染色實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鍶Sr/Cu-BSG骨水泥浸提液未對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hBMSCs）增殖、活性和形態(tài)產(chǎn)生不利影響，表明Sr/Cu-BSG骨水泥在體外具有良好的生物相容性。堿性磷酸酶染色和活性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Sr/Cu-BSG骨水泥促進(jìn)了hBMSCs成骨分化。qRT-PCR結(jié)果表明Sr/Cu-BSG骨水泥可顯著上調(diào)hBMSCs成骨相關(guān)基因Runx-2、OCN和OPN表達(dá)水平。
圖4 Sr/Cu-BSG骨水泥體內(nèi)骨缺損修復(fù)效果
HE染色顯示Sr/Cu-BSG骨水泥植入新西蘭兔股骨髁16周后植入部位未發(fā)生炎癥、壞死、吸收和腫瘤等不良反應(yīng)，說明Sr/Cu-BSG骨水泥具有良好的體內(nèi)生物相容性。Masson染色顯示骨水泥植入新西蘭兔股骨髁16周后Sr/Cu-BSG骨水泥（深紅色）適度降解，降解區(qū)域有不同程度新生血管（紅色箭頭）和降解區(qū)域新生骨組織（黑色箭頭指示深藍(lán)色區(qū)域）形成，說明Sr/Cu-BSG骨水泥降解速率與骨長入速率匹配，并且其具有良好的成血管和成骨性能。
該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目支持。
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