基于抗钛-骨界面氧化应激效应的糖尿病人工种植体表面设计及骨整合研究

Dental implants have been widely used for the replacement of missing teeth in the clinic, but further improvements are needed to meet the clinical demands for faster and tighter osseointegration in healthy compromised patients. Clinical evidence indicates that diabetes is a major risk factor for titanium implant treatment with high failure rates and poor osteointegration. It is reported recently that oxidative stress and reactive oxygen species (ROS) overproduction may contribute to the impaired osteogenesis of porous titanium implants under diabetic conditions. Meanwhile, the cerium oxide nanoparticles (CNPs) are redox-active which have recently attracted attention for use in antioxidant therapy application. The micro-arc oxidation treatment of titanium (Ti) has attracted a great deal of attention. So in this study, we propose CNPs coatings may ameliorate the oxidative stress and the ROS overproduction, thus reverse the poor osseointegration under diabetic conditions, and investigate the underlying mechanisms. To test this hypothesis, both the in-vitro and in-vivo performance of CNPs-functionalized MAO Ti were investigated. The anticipated results are: the CNPs-functionalized MAO Ti could markedly ameliorate diabetes-induced impaired bioperformance of titanium via oxidative stress-mediated reactivation, which elicits a new surface functionalization strategy for better clinical performance of titanium implant in diabetic patients.

在糖尿病人种植治疗中，促进种植体骨整合是难点问题。研究表明种植体-骨界面氧化应激是干扰种植体与骨整合的关键因素，因此基于种植体-骨界面生物功能设计理念，种植体表面设计抗氧化应激功能膜层是促进糖尿病种植体骨整合的新手段。课题组前期已证实氧化铈纳米粒子（CNPs）具有抑制氧化应激诱导成骨细胞凋亡的作用，并且已在钛表面成功制备载CNPs微弧氧化复合功能膜层，为进一步验证钛表面微弧氧化实现CNPs抗氧化功能以促进糖尿病种植体骨整合的新设想，本项目拟采用体内外实验模型，系统评价CNPs对改善糖尿病致钛种植体骨整合率低的治疗效果，并利用microarray、多因子抗体芯片、通路抑制剂等分子生物学方法探索糖尿病状态下CNPs抑制氧化应激诱导成骨细胞损伤的分子信号通路，并揭示其可能的相互作用机制，为预防和降低糖尿病缺牙患者种植修复失败率、改善临床治疗效果提供实验基础和理论依据。

在糖尿病缺牙患者种植治疗中，种植体-骨界面的高氧化应激状态被认为是干扰种植体与骨结合的关键因素之一，因此在种植体表面设计抗氧化应激功能涂层是促进糖尿病种植体骨整合的有效手段。前期研究已表明纳米氧化铈具有独特的抗氧化应激作用，本研究中我们尝试通过金属离子掺杂以调节纳米氧化铈的氧缺陷状态来进一步优化其抗氧化活性，利用水热法制备镧掺杂氧化铈涂层，赋予氧化铈涂层更好的抗氧化及促成骨效应，以有效促进糖尿病种植体骨整合。然后分别进行材料表面结构表征，包括SEM、XPS和表面水接触角测试；体外实验研究，包括细胞活性检测、碱性磷酸酶活性检测、细胞外基质矿化染色、RT-PCR、活性氧水平、细胞内总SOD水平检测等；体内植入实验，包括Micro-CT检测和免疫组化染色等多种手段评价。SEM结果显示纯钛表面已成功制备纳米氧化铈及镧掺杂纳米氧化铈涂层，其粒径范围在10-20 nm。XPS结果显示镧元素的掺杂可改变Ce3+与Ce4+之间的比值，提高氧空位比例，可明显提高氧化铈涂层抗氧化应激作用，在构建的H2O2诱导成骨细胞氧化应激损伤模型中可以提高SOD活性水平，有效促进成骨细胞的粘附、增殖和分化，提高ALP、COL-I、OCN、OPN等成骨相关基因的表达。体内动物实验结果也表明植入了镧掺杂氧化铈涂层的种植体周围有促进新骨生成的能力。本研究初步验证了镧掺杂氧化铈涂层抗氧化应激促进种植体骨整合的治疗效果，可为后续种植体表面抗氧化应激涂层的设计与研发提供实验基础和理论依据。