活性元素对生物活性陶瓷促成骨作用的影响研究

2021-12-01韩先卓金丽欧张京剧

口腔颌面外科杂志 2021年2期

韩先卓，金丽欧，张京剧

（1. 上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，同济大学口腔医学院，同济大学附属口腔医院正畸一科，上海 200072；2. 吉林大学口腔医院颌面外科，吉林长春 130021）

目前已经开发出多种应用于骨组织工程的生物陶瓷，研究较多的是将生长因子掺入骨组织支架和植入物中，如血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP），它们可以激活骨缺损周围干细胞的细胞信号转导级联，从而诱导血管生成、骨组织修复[1]。但生长因子价格昂贵，支架制备时蛋白质易降解，并且常发生非特异性靶向作用[2]。研究发现，不同的离子在细胞环境及骨骼愈合过程中起到一定作用，如钙（Ca2+）、锶（Sr2+）、镁（Mg2+）、锂（Li+）、硅（SI4+）、硼（B3+）、铜（Cu2+）、锌（Zn2+）、钴（Co2+）等。与生长因子相比，使用此类离子诱导骨组织修复成本低，更简便而稳定[3]，但其与人体细胞之间相互作用的确切机制尚不完全清楚。生物陶瓷植入体内后发生不同程度的降解，而释放出来的离子可改变生物微环境，从而影响材料的成血管、成骨作用。因此，特定化学离子取代的生物陶瓷已被认为是促进骨再生的一种较有前途的策略。本文侧重于将生物陶瓷中释放的离子溶解产物对骨骼再生的作用和分子机制作一综述。

1 离子类型

1.1 主族金属

1.1.1钙（Ca）体内约99%的钙存在于骨组织无机相中，钙离子刺激间充质前体细胞以及成熟骨细胞的增殖，使得一定数量的骨生长前体细胞被募集到损伤部位，钙通过钙调蛋白信号转导以及ERK1/2和PI3K/Akt 途径的激活，刺激人成骨细胞的黏附、增殖和分化。低浓度Ca2+促进成骨细胞、人牙囊细胞增殖，而中等浓度Ca2+促进细胞分化和细胞外基质矿化[4]。双相磷酸钙（hydroxyapatite/tricalcium phosphate, HA/TCP）复合支架释放出的钙离子可促进大鼠颅骨缺损的骨形成。因此，未来的生物材料设计可通过调节其成分的浓度比来影响成骨作用。

1.1.2锶（Sr）锶与钙相似，体内约98%的锶位于骨组织中，雷奈酸锶已被用作骨质疏松症的临床治疗方法[5]。锶可以增强成骨、降低破骨[6]，锶影响间充质干细胞NF-κB 和Wnt/β 信号转导途径，促进骨祖细胞增殖,还通过PI3K/AKT/mTOR 信号通路刺激血管生成。锶离子在浓度为0.4～0.9 mmol/L 时促进人骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cell,BMSC）成骨分化，而浓度为0.9～1.8 mmol/L 时加快增殖[7]。兔体内研究发现，掺锶的HA 支架新骨形成更多[8]；大鼠体内验证发现，Sr-HA 形成的骨组织更致密。但是锶离子进入细胞的机制，以及细胞内锶沉积怎样影响细胞信号的转导，目前尚未清楚。

1.1.3镁（Mg）镁参与能量代谢，是脂质和核酸合成的酶促反应等功能所必需的物质，镁在成骨早期刺激成骨细胞的增殖、增加细胞黏附、铺展，促进基质矿化，从而提高骨整合[9]。提高HA 中的Mg2+掺杂浓度可以刺激模拟体液（simulated body fluid，SBF）溶液中仿生磷灰石样层的形成。 Hung 等[10]发现，镁激活人BMSC 中Wnt 信号通路，促进BMSC 向成骨细胞谱系分化，1～3 mmol/L 的镁离子可以提高人成骨细胞活力，促进细胞间通信[11]。在新西兰白兔体内的测试表明，掺Mg-HA 填充股骨缺损具有良好的骨转导性[12]，但目前Mg-HA 的高溶解率仍然需要解决。

1.1.4锂（Li）锂被广泛用作情绪稳定剂，其可抑制糖原合成酶激酶从而激活经典Wnt/B-catenin 信号通路，诱导间充质祖细胞成骨分化，促进骨折愈合[13]。掺锂磷酸三钙可促进BMSCs 和MC3T3-E1 细胞的增殖和成骨，并在体内刺激骨形成。 Lu 等[14]发现，掺锂生物玻璃陶瓷可以通过激活Wnt/β-catenin途径促进内皮细胞增殖和迁移，Li-HA 在模拟体液中可以诱导仿生磷灰石层的体外形成、加速骨整合过程，锂的掺入在2.2～5.5 μg/mg 时，MG63 细胞的附着和早期增殖均得到增强[15]。兔体内植入的研究发现，Li-HA 支架能够诱导新骨形成[16]，但是锂促进成骨的确切作用机制和离子的用量有待进一步研究。

1.2 非金属

1.2.1硅（SI）硅是骨骼发育必不可少的微量元素，补充硅可增加骨密度。硅可以激活AMPK/ERK2 和PI3K/Akt 通路，调节骨基质中胶原蛋白和其他细胞外基质蛋白稳态，浓度小于50 μmol/L 的硅可以刺激人成骨细胞样细胞的分化；硅离子稳定低氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）表达，并上调碱性成纤维细胞生长因子、VEGF 等[16]。而在破骨细胞中较低浓度的硅会促进破骨细胞的发育，而较高浓度的硅会抑制破骨细胞的发育及其骨吸收活性[17]。然而关于硅离子诱导成骨成血管的确切浓度，目前尚未有定论，可能需要进一步的研究。

1.2.2硼（B）硼通常被用作调节陶瓷和玻璃生物学特性的关键添加剂，硼处理浓度在1～100 ng/mL，会使BMSC 和骨祖细胞MC3T3-E1 细胞骨形成标志基因的表达和BMP 上调[18]。

1.3 过渡金属

1.3.1铜（Cu）铜是人类必需的微量元素，可上调VEGF、基质金属蛋白酶致细胞外基质降解，刺激内皮细胞的增殖和迁移。Baino 等[19]发现硅酸铜生物陶瓷中释放的Cu2+，能促进人脐静脉内皮细胞和人皮肤成纤维细胞中VEGF 的表达。掺杂有低Cu2+含量（＜5 at%，at%为原子数百分含量）的HA 涂层对MC3T3-E1 有良好细胞相容性[20]，其浓度344 μmol/L对人牙龈成纤维细胞相对无毒；269.4 μmol/L 对人成骨细胞系保持相对无毒[21]。但其他研究人员发现掺杂1 at%的Cu-HA 对Balb/c3T3 小鼠成纤维细胞、人类胎儿成骨细胞（hFOB 1.19）有严重细胞毒性[22]。可能除了掺杂水平以外，材料合成技术以及测试细胞系对掺杂Cu2+的生物学性能也有很大影响。

1.3.2锌（Zn）锌离子对机体骨骼的正常生长至关重要，锌刺激骨形成和矿化，在模拟体液SBF 中浸泡3 d 后， Zn 掺杂（2.4 at%）HA 表面出现仿生磷灰石样层，Zn2+浓度分别低于15、7 μg/mL 时，对破骨细胞和内皮细胞无毒[23]。掺锌介孔羟基磷灰石微球/胶原支架可增强大鼠BMSC 成骨分化；与纯HA 相比，掺锌HA 植入大鼠体内能够促进新骨形成[24]，锌改性的硅酸钙涂层的锌离子通过调节TGF-β/Smad信号转导途径, 促进骨质疏松兔体内植入物周围新骨的形成[25]。由于以上锌对成骨细胞生成、成骨细胞活性和组织矿化的促进作用，锌离子被认为有望改善材料的骨整合作用。

1.3.3钴（Co）钴具有促进骨组织血管形成的作用，低掺杂水平（0.37 at%）Co-HA 可以维持人类骨肉瘤细胞活力，增强成骨、促血管生成[26]。在成骨早期阶段，钴浓度为1×10-6时，成骨和促血管生成因子均被上调；而在成骨晚期阶段，其浓度为1×10-6时骨再生效果最佳，而5×10-6时，破骨细胞生成活性最强。将钴掺入磷酸三钙中可以激活HIF 目标基因（如VEGF）来促进血管生成; 而含钴的磷酸钙使MC3T3-E1 细胞活力显著降低、细胞骨架组织损伤。但是大鼠动物模型表明，Co-HA 可以在植入后6 个月发生下颌缺损处显著成骨[27]。因此，我们认为调节钴的剂量范围，可能会一定程度地调节骨骼和血管系统的协作,但钴在生物材料中的应用仍存在争议。

1.4 其他离子

除以上几种离子外，还有一些离子新近被应用于成骨材料中，以下选取钆、镓进行简单介绍。钆（Gd）基生物陶瓷或螯合剂已经用于抗癌治疗、磁共振成像中。 Liao 等[28]发现掺杂钆有效激活了Wnt/βcatenin 信号转导途径，促进细胞增殖和成骨相关基因的表达。但目前仍很少有关于基于Gd 的生物材料用于骨缺损愈合的研究，其生物相容性和成骨活性仍有待于讨论。镓（Ga）有抗增殖特性，多在癌症治疗中研究，其通过破坏微生物对铁的利用，抑制细菌生长。含Ga 的磷酸盐玻璃显著抑制破骨相关基因的表达，上调晚期成骨基因的表达[29]。