编号：YYHY00978

篇名：功能化介孔生物活性玻璃纳米粒子的制备及其在骨缺损修复中的应用

作者： 葛敏

关键词： 骨缺损; 介孔生物活性玻璃; 无定形磷酸钙; 金属-酚网络; 活性氧;

机构： 南昌大学

摘要： 骨缺损是一类常见的临床疾病,当下研究者关注的焦点是改进骨修复材料,以期更好地满足临床骨缺损治疗需求。 本文从改进骨修复材料成骨活性以及缓解感染性骨缺损的局部高活性氧（ROS）微环境出发,对介孔生物活性玻璃（MBG）进行相应功能化设计制备了两种纳米粒子,并进行相应理化性能和骨修复性能研究。具体研究内容包括两部分: （1）无定形磷酸钙（ACP）具有高生物活性,在骨骼和牙齿生物矿化过程中扮演关键角色。然而ACP在水溶液中不稳定,容易快速相变为羟基磷灰石（HAP）。本章为了设计生物活性骨修复材料,选择MBG作为纳米载体,在介孔受限通道内原位负载ACP,成功制备了MBG@ACP纳米粒子。对MBG@ACP的结构形貌、理化性能、牙齿仿生矿化修复、体外HAP形成能力以及成骨性能进行检测。透射电镜下观察MBG@ACP为球形纳米粒子,由于ACP的负载,放射状介孔通道不明显。比表面积、孔体积等由于ACP的负载而减小。ACP的负载可提高生物活性,表现为诱导牙齿仿生矿化封闭牙本质小管以及在模拟体液（SBF）中快速反应生成HAP。MC3T3-E1细胞成骨分化实验结果表明MBG@ACP通过释放矿物离子上调成骨相关基因以及促进矿化结节表达。蛋白免疫印迹及免疫荧光结果显示MBG@ACP促进成骨相关蛋白的高表达。最后大鼠颅骨缺损模型表明MBG@ACP以骨粉的形式填充至缺损区可促进骨修复。 （2）感染性骨缺损的局部高ROS微环境要求材料设计时引入抗氧化剂,发挥清除ROS、调控局部炎症微环境以及促成骨分化能力。单宁酸（TA）是一种天然抗氧化剂,具有良好生物相容性,可与金属离子快速配位,在不同基材表面快速形成金属-酚网络（MPNs）。本章在MBG生物活性以及MPNs的普遍适应性基础上,室温下通过TA的酚羟基与锌离子配位作用快速在MBG表面修饰了TA-Zn网络,制备了MBG@TA-Zn纳米粒子。对MBG@TA-Zn的结构形貌、理化性能、生物相容性、抗菌性能、抗氧化性能以及成骨性能进行表征。透射电镜图像和DLS结果显示MBG@TA-Zn分散性好,粒子尺寸比MBG稍大,纳米粒子表面粗糙。细菌实验结果表明MBG@TA-Zn能破坏细菌生物膜。正常及氧化应激状态下的生物相容性结果显示MBG@TA-Zn细胞毒性低,能清除ROS,保护细胞免受氧化应激损伤。脂多糖（LPS）刺激巨噬细胞构建内源性氧化应激模型后经RT-qPCR检测炎症细胞因子的表达,结果为TNF-α,iNOS等M1型促炎因子表达下调及CD 206,Arg-1等M2型抗炎因子表达上调。此外免疫荧光染色结果也表明MBG@TA-Zn可以清除ROS,促进巨噬细胞M2型极化。过氧化氢（H2O2）刺激MC3T3-E1细胞构建外源性氧化应激模型,RT-qPCR检测成骨基因表达、ALP染色及茜素红染色实验结果表明MBG@TA-Zn可以在氧化应激下清除ROS,促进成骨分化。 综上,本文通过简单的方法对MBG进行功能化设计,成功制备了两种不同的纳米粒子。MBG@ACP具有优良生物活性、矿化诱导能力及成骨分化能力,可以骨粉的形式植入骨缺损区实现骨再生。MBG@TA-Zn可以清除ROS,调控氧化应激微环境,还兼具抗菌及促成骨性能,有望用于感染性骨缺损的治疗。