锌修饰硅酸钙陶瓷涂层与宿主骨整合的作用及机制研究

The failured bone-implant is an essential clinical problem which need to be solved. Our prior studies have showed that zinc-modified calcium silicate ceramic coatings can promote adhesion, proliferation and differentiation of osteoblast and integrate with interface of host bone which are better than calcium silicate ceramic coatings. These indicate that zinc ion in zinc modified calcium silicate ceramic coatings may play an important role in osteoblast biology effect. But the mechanisms are still unknown. TGF-β and IGF-I signal transduction pathways are a hot spot of research in skeletal system related disease pathogenesis and bone metabolism. The overexpressed TGF-β and IGF-I in our prior studies indicate that TGF-β and IGF-I signaling pathways may play an important role in zinc-modified calcium silicate coating integrating with host bone. Therefore, firstly, we will construct and optimize zinc modified calcium silicate ceramic coatings in this program and investigate the role and mechanisms of the coating materials promoting osteoblast biological effects. Secondly, we will use ELISA, Western blot, RT-PCR etc, from cellular to molecular level, to study the effect and mechanisms of TGF-β and IGF-I related signaling pathways in the zinc modificated calcium silicate coating integrating with host bone.

摘要：骨植入体植入失败是目前临床亟待解决的问题。前期研究显示锌修饰硅酸钙陶瓷涂层比硅酸钙陶瓷涂层具有更好的促进成骨细胞粘附、增殖及分化的作用，并能与宿主骨界面形成有效的整合，揭示锌离子修饰后的硅酸钙陶瓷涂层对成骨细胞生物学效应产生重要作用。但其具体作用机制仍不明。TGF-β和IGF-1信号通路是近年来骨骼系统相关疾病和骨代谢研究的热点。我们前期预实验RT-PCR结果显示TGF-β1及IGF-1基因过高表达，提示TGF-β及IGF-1相关信号通路在锌修饰硅酸钙涂层与宿主骨整合过程中可能产生重要作用。因此，在本课题中我们构建并优化锌修饰硅酸钙涂层，研究涂层材料对成骨细胞的作用及机制，并采用ELISA、Western blot、RT-PCR等手段，从细胞、蛋白及基因水平等多方面探讨TGF-β、IGF-1相关信号通路在锌修饰硅酸钙涂层与宿主骨整合的作用及具体影响机制。

项目背景：由于植入体材料与骨组织热膨胀系数不匹配、材料的生物活性、生物相容性欠佳等因素影响植入材料与骨组织整合效果，尤其是植入体与骨质疏松宿主之间，最终导致植入失败，是目前临床亟待解决的问题。钛及钛合金表面进行改性以提高植入体与骨组织整合的能力的研究是目前骨科学研究的热点之一。前期研究显示锌修饰硅酸钙陶瓷涂层比HA、硅酸钙陶瓷涂层具有更好的促进成骨细胞粘附、增殖及分化的作用，并能与宿主骨界面形成有效的整合。所以进一步构建并优化锌修饰硅酸钙陶瓷涂层，系统探索其与宿主骨整合中的作用及机制，为该涂层应用于临床奠定理论基础。.主要研究内容和结果、关键数据：本课题采用溶胶-凝胶法并调节锌钙离子的摩尔比，构建不同锌钙摩尔比的锌修饰硅酸钙陶瓷涂层；探索出对于具有最理想生物学活性锌钙摩尔比的Ca2ZnSi2O7陶瓷涂层；阐明了锌修饰硅酸钙陶瓷涂层与宿主骨整合的作用机制。体外实验证实，锌钙摩尔比为0.3的陶瓷涂层促进大鼠BMSCs粘附、增殖、成骨分化及矿化的生物学作用最佳。在剔除了表面形貌的因素后，各涂层材料浸提液生物学效应与涂层直接培养结果相似，说明浸提液中活性离子尤其是锌离子对BMSCs起到重要的生物学作用。同时通过检测相关基因蛋白进一步证明了锌修饰硅酸钙陶瓷涂层对BMSCs的生物学活性影响是通过TGF-β/Smad信号通路起作用而非通过MAPK/ERK及PKC信号通路。构建骨质疏松模型后，t通过micro-CT及硬组织切片等进一步证实各涂层材料均可以显著增强植入体与骨质疏松宿主之间的骨整合，但以锌钙摩尔比为0.3时促进与宿主骨整合能力最佳。.科学意义：该涂层材料同时具有优越的生物相容性、生物活性及化学稳定性好与结合强度高的特点，为新型骨植入体材料的开发及应用以及减少植入体失败等关键问题奠定理论基础及提供解决方法，具有重大的科学意义和社会经济价值。