医用钛表面纳米结构及功能元素的免疫效应调控

Inflammatory effects are significant elements of the immune response to biomaterials, which is currently considered a crucial factor of bone remodeling and formation. This project aims to combine the advantages of nano-scale surface and functional elements (such as magnesium), to induce desirable immune response to promote osseointegration. The important role of physical and chemical cues from biomaterials in regulating the cellular and molecular responses of macrophages, such as cell polarization, phenotype, function, gene and protein expression will be investigated. In another respect, the interactions between macrophages and bone cells/vascular cells co-cultured with magnesium-doped nanostructured titanium will also be studied at the molecular biology level. Furthermore, how these variations in microstructures and element doping regulate signal transduction processes which direct cell performances will be proposed and verified. This study will provide an insight into the biomaterials possessing “controlled biological response” and “active repairing process”.

宿主对植入体的炎症免疫反应是决定生物材料植入成败和长期稳定性的重要因素之一。本项目拟在医用纯钛表面构建功能元素(如镁等）复合纳米结构，利用其特有的物理和化学信号促进免疫相关细胞粘附、增殖、极化，并通过诱导免疫反应促进材料与宿主骨整合，获得具有选择刺激行为的钛表面。探讨纳米结构显微形貌和相结构调控机制,实现可控制备；从细胞生物学和分子生物学层面研究巨噬细胞在功能元素复合纳米结构钛表面的粘附、增殖及极化行为，检测相关蛋白、基因的表达规律，阐述功能元素复合纳米结构钛表面调控巨噬细胞行为及引起免疫反应差异的作用机制；利用巨噬细胞与成骨/成血管相关细胞共培养体系，研究材料通过诱导免疫反应对材料与宿主骨整合的作用机制。本项目将为钛表面“可控生物响应”和“主动修复”功能化提供理论依据，为材料表面设计提供参考。

宿主对植入体的炎症免疫反应是决定生物材料植入成败和长期稳定性的重要因素之一，因此如何利用材料表面特征和理化性能调控免疫反应向促进组织修复/再生的方向转化是亟需解决的关键问题。本项目针对骨修复的临床问题，深入探讨医用钛表面微纳结构和功能元素如何通过物理和化学信号促进调控免疫反应，并通过诱导免疫反应实现高效骨整合。通过本项目的实施，我们（1）利用等离子体浸没离子注入技术将Ag注入钛， Ag纳米颗粒与钛之间构成微电池，构建具有电活性的钛表面。体内/体外实验表明，形成的微电池对可以刺激电压门控钙离子通道的打开，促进钙离子流入。而细胞内钙离子浓度增加可以诱导巨噬细胞向M1表型极化，通过激活依赖钙离子的PKC-NF-kB信号通路，使它更有利于向M2型极化。此外，样品表面共培养巨噬细胞和干细胞通过PGE2的自分泌和旁分泌作用互相调节，提高巨噬细胞的抗炎效果，促进干细胞的成骨分化作用。（2）利用PIII技术构建Mn注入钛表面，Mn注入后对钛表面理化性能无显著影响。研究结果显示，锰注入表面对干细胞的增殖、成骨分化和矿化效果不显著，但对巨噬细胞具有一定的调控作用，且通过对巨噬细胞的调控，促进了成骨分化性能。上述研究可为建立Mn与骨整合和免疫性能之间的构效关系提供理论依据。（3）利用微弧氧化技术构建了具有不同饱和磁化强度的多孔TiO2涂层。结果表明，相对于Fe离子的释放，磁性是调控巨噬细胞行为的主导因素；而磁性和Fe离子释放均会影响干细胞的成骨性能，且Fe离子浓度较高时，不利于成骨相关基因的表达。上述研究，可为建立磁性-骨整合和磁性-免疫性能之间的构效关系提供理论依据。本项目的实施将为钛表面“可控生物响应”和“主动修复”功能化提供理论依据，为材料表面设计提供参考。