铜掺杂生物活性玻璃的生物医学应用
发布时间：2021-02-22 21:08
生物活性玻璃作为一种既能与骨组织键合又能与软组织连接的活性材料,可通过降解过程实现对活性离子的控制释放,在临床生物医学方面得到长足发展.本文综述了近年来合成的铜掺杂生物活性玻璃的基本特征,并对相关生物医学应用研究进展进行介绍,对研究中存在的问题和面临的挑战进行深入剖析.其中,基本特征内容包括结构及分类,具体细分为45S5型、1393型、70S型和1393 B3型等;生物医学应用进展内容涵盖抗菌、抗癌、骨/软骨修复再生及血管生成.
【文章来源】：科学通报. 2020,65(36)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
(网络版彩色)桥接氧和非桥接氧结构示意图
在骨/软骨的重建与再生过程中,除了关注材料与骨之间形成良好且牢固的化学键,还要防止定植所引发的细菌感染,减少抗生素的使用,避免二次手术的发生[6].大量研究表明,80%以上的微生物感染与生物膜系统的形成有密切关系[13],甚至出现持久的耐药性.针对性地通过激活细胞密度依赖型机制-群体感应、控制黏附机制和毒性因子的表达、添加特定的元素为材料提供抗菌特性、降低机体对材料的敏感性并限制感染,成为了生物活性玻璃研究的关键环节.银是最常用的抗菌剂[31],锌等[32]无机元素也能够对枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌菌株产生良好的抗菌活性;而铜掺入生物活性玻璃结构中较为容易,并可在溶解的过程中逐渐释放出来,从而确保其作为抗菌成分的控制释放,具备更优异的长期抗菌性能.同时,降解过程中阳离子的释放可引起局部p H升高[33],保证杀死细菌.Rau等人[13]利用铜离子的抗菌特性,向45S5型生物活性玻璃中添加5wt%Cu O,作为脉冲激光沉积目标涂层材料(图4),并对细胞行为进行研究,发现铜的存在能通过成骨细胞表型诱导人间充质干细胞的早期分化,促进抗炎性白细胞介素(interleukin,IL)-10的表达,抑制促炎性IL-1β表达.抗菌研究表明,该材料对革兰氏阴性细菌(铜绿假单胞菌、大肠杆菌和肠炎沙氏门菌)的抑制效果远大于革兰氏阳性细菌(金黄色葡萄球菌).Bari等人[34]利用铜掺杂的生物活性玻璃纳米颗粒加速生物膜分散,干扰生物膜形成,有效抑制细菌生长.传统溶胶-凝胶法可掺入高达10mol%的铜,Miola和Verné[35]首次在水溶液中利用离子交换技术将不同铜源(硝酸铜、氯化铜、醋酸铜和硫酸铜等)更大程度地引入硅基生物活性玻璃外层,显示出良好的金黄色葡萄球菌抑制效果,后续可进一步探究刺激血管生成性能,实现抗菌与成血管的结合.图4 (网络版彩色)铜掺杂生物活性玻璃作为脉冲激光沉积目标涂层材料过程示意图(a)、花椰菜形磷灰石扫描电子显微镜(SEM)图(b)及抗菌效果对比图(c)[13]
血管生成对于骨骼形成和生长来说必不可少,并且在骨缺损修复过程中发挥关键作用.细胞增殖取决于氧气和营养成分的供应,血管可将这些物质输送到所需部位,尽管已有相关研究证实了血管生成因子添加至植入物策略的可行性,但仍存在成本高以及超生理剂量使用所带来的潜在安全风险等不足.大量研究表明,生物活性玻璃可通过低氧压途径,即稳定HIF-1α的表达,刺激血管生成[44].血管化是组织再生过程中的关键环节,在有效治疗浓度范围内的铜离子可作为新型低氧模拟材料,进入硅酸盐网络,从而诱导血管生成.铜离子在组织血管化的形成中发挥重要作用,能够刺激内皮细胞和间充质干细胞的分化,在生物活性玻璃材料中掺入铜,可以通过增加VEGF和转化生长因子(transforming growth factor,TGF)-β的表达改善基质上毛细血管样内皮细胞网络的作用(图5)[45].Rath等人[46]用骨髓来源的间充质干细胞和人皮肤微血管内皮细胞共同测试了铜掺杂生物活性玻璃衍生支架,观测到VEGF表达增加,且这种支架对间充质干细胞没有毒性,证明了铜离子在组织血管形成40 h内即可达到有效浓度,并能够稳定持续4周,自发改善新骨形成过程中血管的生成.Lin等人[47]研究了从1393型生物活性玻璃支架中释放铜离子对血管生成的影响,当体外浸入SBF中时,铜掺杂支架以剂量依赖性方式将铜离子释放到介质中,渗透到支架内的纤维组织中的新血管面积随着玻璃中Cu O含量的增加而增加.2.5 其他
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effects of Cu2+ and pH on osteoclastic bone resorption in vitro[J]. ZHANG Jinchao, HUANG Jian, XU Shanjin , WANG Kui and YU Shifeng(1 . Department of Chemical Biology, School of Pharmaceutical Sciences, Peking University, Beijing 100083, China; 2. Department of Oral Pathology, Stomatological Hospital, Peking University, Beijing 100081, China). Progress in Natural Science. 2003(04)
本文编号：3046563
【文章来源】：科学通报. 2020,65(36)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
(网络版彩色)桥接氧和非桥接氧结构示意图
在骨/软骨的重建与再生过程中,除了关注材料与骨之间形成良好且牢固的化学键,还要防止定植所引发的细菌感染,减少抗生素的使用,避免二次手术的发生[6].大量研究表明,80%以上的微生物感染与生物膜系统的形成有密切关系[13],甚至出现持久的耐药性.针对性地通过激活细胞密度依赖型机制-群体感应、控制黏附机制和毒性因子的表达、添加特定的元素为材料提供抗菌特性、降低机体对材料的敏感性并限制感染,成为了生物活性玻璃研究的关键环节.银是最常用的抗菌剂[31],锌等[32]无机元素也能够对枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌菌株产生良好的抗菌活性;而铜掺入生物活性玻璃结构中较为容易,并可在溶解的过程中逐渐释放出来,从而确保其作为抗菌成分的控制释放,具备更优异的长期抗菌性能.同时,降解过程中阳离子的释放可引起局部p H升高[33],保证杀死细菌.Rau等人[13]利用铜离子的抗菌特性,向45S5型生物活性玻璃中添加5wt%Cu O,作为脉冲激光沉积目标涂层材料(图4),并对细胞行为进行研究,发现铜的存在能通过成骨细胞表型诱导人间充质干细胞的早期分化,促进抗炎性白细胞介素(interleukin,IL)-10的表达,抑制促炎性IL-1β表达.抗菌研究表明,该材料对革兰氏阴性细菌(铜绿假单胞菌、大肠杆菌和肠炎沙氏门菌)的抑制效果远大于革兰氏阳性细菌(金黄色葡萄球菌).Bari等人[34]利用铜掺杂的生物活性玻璃纳米颗粒加速生物膜分散,干扰生物膜形成,有效抑制细菌生长.传统溶胶-凝胶法可掺入高达10mol%的铜,Miola和Verné[35]首次在水溶液中利用离子交换技术将不同铜源(硝酸铜、氯化铜、醋酸铜和硫酸铜等)更大程度地引入硅基生物活性玻璃外层,显示出良好的金黄色葡萄球菌抑制效果,后续可进一步探究刺激血管生成性能,实现抗菌与成血管的结合.图4 (网络版彩色)铜掺杂生物活性玻璃作为脉冲激光沉积目标涂层材料过程示意图(a)、花椰菜形磷灰石扫描电子显微镜(SEM)图(b)及抗菌效果对比图(c)[13]
血管生成对于骨骼形成和生长来说必不可少,并且在骨缺损修复过程中发挥关键作用.细胞增殖取决于氧气和营养成分的供应,血管可将这些物质输送到所需部位,尽管已有相关研究证实了血管生成因子添加至植入物策略的可行性,但仍存在成本高以及超生理剂量使用所带来的潜在安全风险等不足.大量研究表明,生物活性玻璃可通过低氧压途径,即稳定HIF-1α的表达,刺激血管生成[44].血管化是组织再生过程中的关键环节,在有效治疗浓度范围内的铜离子可作为新型低氧模拟材料,进入硅酸盐网络,从而诱导血管生成.铜离子在组织血管化的形成中发挥重要作用,能够刺激内皮细胞和间充质干细胞的分化,在生物活性玻璃材料中掺入铜,可以通过增加VEGF和转化生长因子(transforming growth factor,TGF)-β的表达改善基质上毛细血管样内皮细胞网络的作用(图5)[45].Rath等人[46]用骨髓来源的间充质干细胞和人皮肤微血管内皮细胞共同测试了铜掺杂生物活性玻璃衍生支架,观测到VEGF表达增加,且这种支架对间充质干细胞没有毒性,证明了铜离子在组织血管形成40 h内即可达到有效浓度,并能够稳定持续4周,自发改善新骨形成过程中血管的生成.Lin等人[47]研究了从1393型生物活性玻璃支架中释放铜离子对血管生成的影响,当体外浸入SBF中时,铜掺杂支架以剂量依赖性方式将铜离子释放到介质中,渗透到支架内的纤维组织中的新血管面积随着玻璃中Cu O含量的增加而增加.2.5 其他
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effects of Cu2+ and pH on osteoclastic bone resorption in vitro[J]. ZHANG Jinchao, HUANG Jian, XU Shanjin , WANG Kui and YU Shifeng(1 . Department of Chemical Biology, School of Pharmaceutical Sciences, Peking University, Beijing 100083, China; 2. Department of Oral Pathology, Stomatological Hospital, Peking University, Beijing 100081, China). Progress in Natural Science. 2003(04)
本文编号：3046563
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