骨—软骨复杂组织修复生物活性无机材料的制备及性能研究

发布时间：2020-09-21 08:42

　　 骨关节炎是临床上造成软骨缺损的一种常见疾病。由于软骨缺乏自我修复能力,导致软骨修复存在巨大挑战。此外,软骨缺损通常累及软骨下骨,进而造成骨-软骨缺损。由于软骨与软骨下骨具有不同的生理学功能,传统模式通常利用具有多层结构的生物活性材料仿生骨-软骨的生理结构,但是存在层级结构不理想等问题。因此制备一种在生理学上同时满足骨-软骨缺损中骨-软骨一体化修复的单相支架极具挑战。此外,生物活性无机材料目前主要应用于骨骼、牙齿等硬组织的修复与再生,但是在软骨的修复与再生方面还缺乏研究。为此,本论文将无机活性离子与生物陶瓷相结合,采用三维打印技术制备了具有骨-软骨一体化修复作用的单相多孔生物活性陶瓷支架,进一步研究其体内外成骨及软骨相关生物学效应,并在此基础上探究了从单一活性离子到多离子协同促进软骨修复及保护关节炎软骨细胞的作用机制,为无机材料用于骨-软骨修复提供可行性依据。主要研究内容和结果如下:1.基于锰(Mn)元素对维持骨与软骨正常发育的积极作用,以及β-磷酸三钙(β-TCP)良好的生物相容性,通过共沉淀法合成了Mn-TCP生物陶瓷粉体,并利用三维打印技术制备了Mn-TCP生物陶瓷支架。Mn元素的加入显著降低了β-TCP生物陶瓷的晶相转变温度及晶胞参数,三维打印Mn-TCP生物陶瓷支架相比于同种方法制备的β-TCP支架,具有更高的抗压强度及更优越的降解性能。体外研究发现,Mn-TCP生物陶瓷粉体离子产物通过激活缺氧诱导因子(HIF)信号通路促进软骨细胞的增殖和成熟,通过Mn离子和Ca离子协同作用诱导骨髓间充质干细胞增殖和成骨分化;并通过抑制关节炎环境下的软骨细胞内降解代谢活动保护软骨细胞;同时体内研究结果表明,Mn-TCP支架具有骨-软骨一体化修复的双向生物学功能特性。2.基于单一活性离子对骨-软骨缺损修复的促进作用的研究,本章进一步通过多离子联合作用对骨-软骨缺损一体化修复的促进作用进行探究。结合锂元素和硅酸钙的成骨诱导作用,本研究首次通过溶凝胶法合成纯晶相的硅酸钙锂(Li2Ca2Si2O7,LCS)生物陶瓷,并利用三维打印技术得到结构形貌均一的多孔LCS生物陶瓷支架。体外研究结果表明,LCS生物陶瓷粉体的离子产物对软骨细胞的增殖和表型维持具有促进作用,对骨髓间充质干细胞的成骨分化起明显的诱导作用。进一步研究表明,Li和Si离子通过共同作用激活软骨细胞HIF信号通路,诱导软骨的增殖及维持其表型;Li和Si离子通过共同抑制IHH信号通路及降低细胞内降解代谢活动保护软骨细胞。同时在兔膝关节骨-软骨缺损模型中,LCS支架显示骨和软骨一体化修复的双向生物学效应。LCS生物陶瓷支架是一种利用多种生物活性离子的共同作用治疗骨关节炎造成的骨-软骨缺损的智能策略。3.基于多离子对骨-软骨缺损修复的共同作用的研究,为了更进一步探究多离子对骨-软骨及其界面修复的积极作用,本研究利用固相法合成能持续释放骨-软骨有益元素锶(Sr)和硅(Si)离子的硅磷酸锶(Sr5(PO4)2Si O4,SPS)生物陶瓷,并通过三维打印方法制备结构均一,形貌高度可控的SPS生物陶瓷支架。体外研究结果显示,SPS生物陶瓷离子产物具有促进软骨细胞增殖及诱导软骨特异性基因与蛋白的表达的作用。进一步研究显示,Sr和Si离子通过协同作用激活软骨细胞内HIF信号通路,促进软骨细胞增殖及维持其表型;在关节炎模型软骨细胞中,Sr和Si离子通过激活软骨细胞内自噬作用和抑制IHH信号通路保护软骨细胞免受降解。同时体内研究结果表明,SPS支架具有显著促进骨和软骨及其界面一体化修复的生物学特性。综上所述,本论文通过将活性离子结合到生物陶瓷体系中,对无机生物陶瓷材料促进骨-软骨一体化修复进行探究,结合活性离子对骨-软骨修复的有益作用及三维打印技术,有效构建大孔结构和形貌高度可控并具双向生物学性能的生物陶瓷支架材料,得到的多孔生物陶瓷支架在骨-软骨复杂组织一体化修复方面具有良好的促进作用,为无机材料在骨-软骨缺损一体化修复,尤其软骨修复领域的应用提供新的研究思路。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB321;R318.08
【部分图文】：

图 1.1 软骨细胞在软骨组织中分布及骨-软骨界面构成示意图[8]。Figure 1.1 Distribution of chondrocytes in cartilage tissue and composition of the interface becartilage and subchondral bone[8]..2 软骨下骨软骨下骨（Subchondral Bone）是位于软骨下方的骨骼组织，具有承受来自软负荷，缓冲机械负荷对关节震荡，保持关节正常形态的作用[11-13]。同时，软骨通过钙磷等元素的不断更新参与机体新陈代谢，支持软骨再生，促进软骨修复骨组织包含骨细胞（Bone Cell）和骨基质（Bone Matrix），与软骨组织不同的下骨组织的骨基质又可分为有机质和无机质，其中有机质的大部分为骨胶原one Collagen），其余主要由蛋白多糖及其聚集体构成。软骨基质中有机质占绝而软骨下骨基质中则以无机质为主，其质量约为软骨下骨的 60-70%，主要以石结晶和无定形的胶体磷酸钙为主。

骨-软骨复杂组织修复生物活性无机材料的制备及性能研究软骨下骨之间，可以缓冲来自软骨的应力；同时在软骨钙化。于软骨和软骨下骨及其界面的不同生理学结构和特要实现有效骨-软骨一体化修复，不仅要求材料具有同时诱导新骨生成，并且刺激骨-软骨界面修复，，在材料设计上，常规的软骨或软骨下骨单一体系此，对骨-软骨组织修复材料体系的生物学功能有极

图 1.3 基于组织工程策略的支架材料应用于骨-软骨组织再生的基本模式[64]。Figure 1.3 Fundamental mode of tissue engineering scaffolds for osteochondral regeneration[64]骨-软骨组织工程支架成功构建的标志有：组织相容性好，生物可降解，具有生物活性、相互连通的多孔结构以及与原生组织结构相匹配的力学性能[43, 65]。成功构建骨-软骨组织工程支架必备的三要素是种子细胞，生长因子及支架材料。支架材料作为种子细胞和生长因子的载体，可将上述二者携带至缺损部位，同时支架材料还可以为新生组织提供支撑，是骨-软骨组织工程支架的关键因素，也是目前研究热点。种子细胞和生长因子来源于动物体，其使用涉及安全及伦理问题，还需漫长的探索及认证[66]。而来源于无机质的生物活性营养元素，来源广泛，获取方便，不涉及伦理问题，且微量的生物活性营养元素在软骨和软骨下骨组织代谢中起着重要的作用，因此备受关注，同时也为骨-软骨组织工程材料的设计提供新思路。

本文编号：2823300