目的:针对骨科植入物感染及骨整合不良问题,本研究对钛基材料表面改性,构建具pH响应、抗菌及促成骨性能的功能化钛材表面,并验证其生物相容性与生物学性能。 方法:运用旋涂技术,在钛材表面构建含壳聚糖(CS)、聚多巴胺(PDA)及抗菌肽(AMPs)HHC36的复合水凝胶涂层,制备纯钛(Ti)、钛-聚多巴胺(T-P)、钛-聚多巴胺-壳聚糖/聚多巴胺(T-P-C/P)及负载HHC36的T-P-C/P(T-P-C/P@H)四组材料。通过扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)表征表面形貌与粗糙度;利用能量色散光谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)分析元素与官能团;以水接触角测定亲水性,用HHC36释放实验验证pH响应性。通过CCK-8法、划痕实验、活-死染色评估生物相容性;借助碱性磷酸酶(ALP)染色及活性检测、茜素红染色(ARS)、RT-q PCR分析成骨标志基因表达评估体外促成骨性能;采用细菌平板计数、抑菌环实验、细菌活-死染色评估抗菌性能。 结果:1.理化性质表征:SEM与AFM结果表明,T-P-C/P@H表面形成均匀微孔结构,表面粗糙度可控(Rq=62.3 nm)。EDS与XPS证实PDA、CS及HHC36成功负载:T-P中检测到酚羟基(-OH);T-P-C/P中羟基(-OH)相关峰的强度增加;T-P-C/P@H中检测到新增的酰胺基团(-CONH-)。水接触角由Ti的75.27°降至T-P-C/P@H的67.49°,亲水性有所提升。HHC36在pH 5.5(模拟感染微环境)下,216h内累积释放率达89.5%,而在pH 7.4时仅64.6%,体现pH响应特性。 2.生物相容性评估:CCK-8结果显示,T-P-C/P@H的450nm波长下的吸光度(OD450)显著高于Ti(p<0.05),表明其无细胞毒性且促进小鼠颅顶前骨细胞亚克隆14(MC3T3-E1)细胞增殖。活-死染色结果显示,各组死细胞极少,均未表现出明显的细胞毒性。划痕实验表明,T-P-C/P@H细胞迁移能力最强(p<0.05),其次为T-P-C/P和T-P。 3.体外促成骨性能评估:ALP实验结果显示,第4天T-P碱性磷酸酶活性最高,第7天T-P-C/P和T-P-C/P@H仍维持较高水平,均显著高于Ti(p<0.05)。ARS实验结果显示,第14天T-P-C/P和T-P-C/P@H促进矿化,第21天T-P-C/P@H效果最优(p<0.05)。RT-q PCR结果显示,T-P-C/P@H可稳定提高ALP、Runx2、OPN、OCN表达(p<0.05),促成骨性能最佳。 4.体外抗菌性能评估:平板计数实验结果显示,T-P-C/P@H通过释放HHC36,展现了显著的抑菌性能,抑菌率超过90%,效果显著优于Ti(p<0.05)。抑菌环实验进一步支持了这一结论。细菌活-死染色结果显示,T-P-C/P@H红色荧光最强,抑菌效果最佳,T-P-C/P次之,T-P仅有少量抑菌作用。 结论:1.成功构建pH响应性钛基植入材料T-P-C/P@H,实现酸性微环境可控释放HHC36; 2.T-P-C/P@H显著提升材料生物相容性,兼具高效抗菌与促成骨性能,为骨科植入体功能化改性提供新策略。...
目的: 骨质疏松症在全球老龄化进程中已成为不可忽视的公共卫生问题,其病理性骨折伴发的骨缺损表现出骨再生能力低、内固定稳定性低、骨修复质量低及内固定失败率高的“三低一高”临床特征,严重影响患者的预后。尽管磷酸钙骨水泥(CPCs)在临床应用广泛,但其生物惰性限制了成骨诱导效果,对微环境及能量代谢的调控能力不足,难以满足骨质疏松复杂病理条件下的骨修复要求。鉴于此,本研究突破传统CPCs的被动修复理念,基于α-酮戊二酸(α-ketoglutarate,α-KG)在能量代谢调控、抗氧化、抗炎及成骨分化中的多重生物学作用,创新性地构建了复合α-酮戊二酸聚酯微球磷酸钙骨水泥(α-KG/CPCs)。建立可控的α-KG缓释系统,并系统性探索其作用机制。为实现从被动填充到主动调控的修复模式转变提供依据。 方法: 采用熔融缩聚法合成α-KG聚酯并制备微球,通过粉体共混法与CPCs制备α-KG/CPCs。FTIR、XRD、SEM系统表征材料理化性能;检测其凝固、降解与释放动力学并进行力学性能评价。 评价材料生物相容性,考察不同比例α-KG/CPCs对成骨基因及蛋白表达,成骨分化、矿化的影响,以及在H2O2诱导氧化应激与LPS炎症模型下的抗氧化、抗炎作用。 建立大鼠骨质疏松骨缺损模型,分组植入CPCs或α-KG/CPCs,术后行Micro-CT、H&E染色、Masson染色及RUNX2免疫组化评价骨修复情况。 转录组测序获得显著差异表达的基因,并对这些差异表达基因进行GO、KEGG通路富集分析,并采用qPCR、蛋白质免疫印迹来检测能量代谢与糖酵解相关基因表达及蛋白磷酸化水平验证核心信号通路。 结果: 制备α-KG/CPCs,结构表征结果表明该α-KG/CPCs微球形态规则,表面光滑,并均匀地分散于CPCs中。10%α-KG组凝固时间适宜,降解稳定。力学性能接近 CPCs。 材料相容性良好,10%α-KG组显示出明显的促成骨分化现象,ALP、RUNX2基因表达显著上调(p<0.001),矿化结节数量显著增加(p<0.01);该微球能够有效地清除ROS,并上调SOD和CAT表达水平;并且能显著抑制炎症反应,IL-1、IL-6、TNF-α浓度水平显著下调(p<0.01)。 10%α-KG组8周时骨体积分数(BV/TV)较对照组提高约3倍,骨矿物质密度(BMD)极显著升高(p<0.001)。组织学显示α-KG组炎症轻,新骨小梁形成良好;胶原沉积与矿化程度高;RUNX2阳性细胞数高于其他组。 转录组分析揭示材料可能通过激活PI3K/Akt/mTOR信号通路,上调糖酵解关键基因GLUT1和PFK1表达,促进ATP生成,同时上调生长因子Igf1等表达。 结论: 本研究创新性采用α-KG聚酯微球化策略,实现了α-KG可控缓释,构建了“能量代谢-氧化还原-炎症调控”新模式;实现了骨缺损从被动填充到主动调控的转变;揭示了 α-KG可能通过PI3K/Akt通路介导代谢重编程促进骨修复的分子机制,为骨质疏松性骨缺损治疗提供了新的材料体系和理论基础。 ...
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