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漫威“金剛狼”或可成為現實!Nature子刊:“金屬骨頭”—鈦合金,可加速骨骼再生


  市場動態     |      2021-12-02
醫用鈦合金不僅無毒、質量輕、抗腐蝕,而且具有極好的生物相容性和與人體骨結合的天然能力,可用作植入人體的植入物等,是很理想的醫用金屬材料。
漫威宇宙的X戰警系列電影,金剛狼的鈦合金人骨大展神威,堅不可摧。如果我們在現實世界將醫用鈦合金,也同樣換到身體里,或者說把自己的骨頭換成鈦合金骨頭,那么我們是不是也會變得更加強大呢?
2021年11月25日,天津大學、河北工業大學、湖北大學等研究機構在Nature子刊《Nature Communication》發表了題為:Self-activating anti-infection implant的研究論文,表明經過HA/MoS2涂層改性的Ti6Al4V(Ti6)鈦合金種植體,對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現出高效的抗菌作用,同時能通過促進間充質干細胞的成骨分化來加速骨再生。
在臨床骨外科手術中,很難同時賦予植入體良好的成骨能力和抗菌活性。細菌感染和與宿主組織的骨整合不足延誤了患者的恢復時間,增加了術后發病率。植入體成功的關鍵在于骨細胞在植入體上的快速成骨分化和同時防止細菌感染。

羥基磷灰石(HA)具有良好的骨傳導性,在牙科和骨科種植體的骨整合中得到了廣泛的應用。硫化鉬(MoS2)除了具有良好的生物相容性外,該材料獨特的物理和光電特性使其對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有優異的殺菌能力。
在此項研究中,研究人員通過采用激光熔覆和化學氣相沉積(CVD)方法,將上述兩種材料制備成HA/MoS2涂層改性的Ti6Al4V(Ti6)種植體。HA/MoS2涂層利用金黃色葡萄球菌和大腸桿菌代謝過程產生的能量,無需額外能量即可觸發HA/MoS2-Ti6的抗菌活性。這是一個自我激活的抗感染過程,同時可通過上調Ca2+水平提高骨髓間充質干細胞的存活率,促進骨髓間充質干細胞的成骨分化。
圖注:HA/MoS2涂層可以防止細菌感染,同時促進骨組織再生
該項目的研究人員通過在不同基質上培養細菌,分析了HA/MoS2–Ti6與細菌之間的相互作用。相比之下,HA/MoS2–Ti6組只有少量菌落,表明其不僅具有良好的廣譜抗菌性能,而且對多藥耐藥的甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)也有較強的抗菌能力。
圖注:HA/MoS2-Ti6種植體的抗菌活性
研究的另一部分是分析HA/MoS2–Ti6的成骨能力,研究了HA/MoS2–Ti6對干細胞潛能的影響。HA/MoS2–Ti6組的細胞內Ca2+水平遠高于Ti6組。高水平的鈣離子被轉運到線粒體,調節線粒體代謝,引起線粒體膜的短暫去極化。這種來自內質網的鈣離子波動對細胞增殖起著重要的生理作用,表明HA/MoS2-Ti6種植體在體外具有很強的成骨分化能力。研究者使用DAPI(4’,6-二氨基-2-苯基吲哚)和四甲基羅丹明(TRITC)和四甲基羅丹明(TRITC)偶聯phalloidin(actin)來表征不同樣品存在時,間質干細胞的形態。與Ti6組相比,培養1天、3天和7天后,HA/MoS2–Ti6組的細胞存活率顯著提高,細胞活力明顯增強。
圖注:HA/MoS2-Ti6種植體的抗菌活性
圖注:在培養1天、3天和7天后,將間質干細胞與Ti6、SLM-Ti6和HA/MoS2-Ti6共培養,觀察其細胞活力
根據上述結果,HA/MoS2–Ti6種植體在體外的抗菌和成骨性能非常優異,研究者因此選擇對其進行體內研究。他們將HA/MoS2–Ti6植入體置入雄性大鼠的脛骨中,植入位置通過X射線圖像顯示(圖中紅色箭頭)。植入14天后,通過蘇木精-伊紅(H&E)和Giemsa染色評估植入物周圍骨組織中的炎癥反應和殘留細菌,14天后觀察到HA/MoS2–Ti6組中的細菌很少,而Ti6組中的細菌較多,進一步證明了HA/MoS2–Ti組在體內的高效抗菌效果。
圖注:a、脛骨附近剃毛的照片。b、植入位置的照片。c、鈦棒的X射線圖像
圖注:HA/MoS2-Ti6種植體的體內抗菌效果
植入4周后,研究者通過微型計算機斷層掃描(micro-CT)評估不同樣本的骨再生能力,結果顯示HA/MoS2-Ti6組的成骨能力優異。通過H&染色檢測心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟等主要器官的體內毒理學,未發現器官損傷跡象,表明制備材料沒有明顯的組織毒理學。以上結果表明,合成的HA/MoS2–Ti6不僅具有自抗菌性能,而且具有良好的骨傳導性,這使得激光熔覆制備的HA/MoS2涂層成為同時解決細菌感染和人工種植體骨整合兩大問題的有效策略。
綜上所述,激光熔覆法制備的HA/MoS2涂層利用了骨髓間充質干細胞與細菌之間能量代謝的差異,在殺死病原菌的同時促進了鈦種植體的骨再生。該研究有望提高骨科植入體的抗感染性能力和成骨能力,減少術后發病率,造福患者。