多尺度微纳结构与锂离子协同调控骨质疏松疾病下颌骨节段性缺损修复及机制研究

There are numerous patients with mandibular segmental defects in clinic; the demand of the anatomic and occlusal function reconstruction and damaged osteogenic and angiogenic capacity under osteoporotic condition, proposes higher requirements and challenges on osteo-/angio-stimulation activity of bone graft materials. In present project, lithium doped HA bioceramic scaffolds with multi-scale micro-/nano-rod hybrid surface were fabricated by 3D printing and hydrothermal conversion technology, which could achieve the controlled preparation of multi-scale micro-/nano- structure and control release of lithium ion. The osteo-/angio-stimulation activity of HA scaffolds could significantly enhance via the synergistic effect of multi-scale micro-/nano- structure and lithium ion. Using osteoporosis rabbit as animal model, the synergistic cytological effect of multi-scale micro-/nano- structure and lithium ion on osteogenesis and angiogenesis will be evaluated under osteoporotic condition; moreover, the underlying molecular mechanism will be revealed by evaluating the effect on ERK, P38, AKT and Wnt/β-catenin signaling pathways as well as “cross-talk” and "interaction" among these signaling pathways. In osteoporosis rabbit mandibular segmental defect model, the synergistic effect of multi-scale micro-/nano- structure and lithium ion on osteogenesis and angiogenesis will be revealed in vivo. The present project may overcome the key challenge of mandibular segmental defect repair under osteoporotic condition; and provide an ideal bone substitute of autologous bone graft for the patients with mandibular segmental defects.

临床上众多的下颌骨节段性缺损患者，其解剖形态/咬合功能重建需求和骨质疏松疾病成骨/成血管能力受损对骨修复材料诱导成骨/成血管性能提出更高的要求和挑战。本课题拟采用3D打印和水热转化技术制备掺锂微纳米棒组合结构修饰HA生物陶瓷多孔支架，实现多尺度微纳结构可控制备及锂离子可控释放，借助多尺度微纳结构与锂离子协同效应增强其诱导成骨/成血管活性；以骨质疏松兔为动物模型，探求多尺度微纳结构与锂离子协同调控骨质疏松下成骨/成血管细胞学效应，并通过研究其效应与ERK、P38、AKT及Wnt/β-catenin信号通路关联以及信号通路之间“相互对话”及“交互作用”，揭示其内在分子学机制。在骨质疏松兔下颌骨节段性缺损动物模型中，评价多尺度微纳结构与锂离子协同调控体内成骨/成血管效应。通过本项目研究可望解决骨质疏松疾病下颌骨节段性缺损修复关键难题，为临床众多下颌骨节段性缺损患者提供可替代自体骨的理想骨移植物。

本项目围绕“多尺度微纳结构与锂离子协同调控骨质疏松疾病下颌骨节段性缺损修复及机制研究”的研究计划要点展开，进展顺利、并取得预期成果。具体执行和完成情况如下：成功制备β-磷酸三钙（β-Ca3(PO4)2，β-TCP）, 硅酸钙（CaSiO3，CS）及掺锶硅酸钙（Sr-CaSiO3，Sr-CS）粉体；系统阐明Sr-CS通过BMSCs外泌体介导的旁分泌途径间接调控内皮细胞体外成血管效应及内在机制。研究证实Sr-CS诱导 BMSCs后分泌的外泌体Sr-CS-Exo可显著提高内皮细胞增殖、迁移、体外成管能力及成血管相关因子表达，进一步研发现Sr-CS处理可提高BMSCs外泌体中miR-146a表达，通过降低内皮细胞内靶蛋白NF2及Smad4表达，间接促进内皮细胞成血管作用；研究发现Sr-CS-Exo可促进斑马鱼新生血管发育；大鼠原位骨缺损实验证实Sr-CS-Exo可促进缺损部位血管新生以及骨再生；在前期项目筛选出掺锂生物玻璃，其具有促进成骨/成血管的基础上进一步研究证实研究发现掺锂生物活性玻璃陶瓷同时可通过BMSCs外泌体介导的旁分泌途径激活miR-130a/PTEN/AKT信号轴促进巨噬细胞M2型极化，同时抑制巨噬细胞破骨向分化，并在后续设计骨质疏松疾病兔动物模型进一步验证其修复颌骨节段性缺损效果。本项目执行期间已发表标注项目资助号的SCI 收录论文11 篇（SCI 影响因子超过10的论文3篇，1篇论文被选为封面文章），参编国际生物材料英文专著1部，已授权国家专利1项，培养研究生3名（博士2名，硕士1名）；项目负责人入选上海市卫生系统优秀青年人才培养计划（2017年）、上海市启明星人才计划（2019年）。