云克隆试剂盒参与开发nSrHA/PEKK骨修复材料
文献导读
2020年12月11日，四川大学国家生物材料工程研究中心朱向东和杨晓作为共同通讯作者在Science Advances上发表了题为“A biomimetically hierarchical polyetherketoneketone scaffffold for osteoporotic bone repair”的文章。该文章开发出一种附有功能化锶掺杂纳米羟基磷灰石涂层PEKK仿生支架用于骨质疏松性骨缺损的治疗。
研究介绍
骨质疏松性骨折在社会上很普遍，并且随着世界范围内人口的老龄化，其发病率呈上升趋势。与正常骨折相比，骨质疏松性骨折的修复尤其具有挑战性，因为患者骨骼强度、骨密度、骨小梁微结构和骨形成能力均降低，导致骨不连和固定失败。传统的骨修复材料很难满足病理性骨折的修复要求。
聚芳醚酮类（PAEKs）材料自1998年被FDA承认其生物相容性后，逐渐成为主流的高分子材料，尤其是聚醚醚酮（PEEK）在医疗应用的十分广泛。尽管具有良好的机械性能和化学性质，但是PEEK与骨整合较差。近年来，聚醚酮酮（PEKK）开始在医药领域受到关注。此前，作者对PEKK表面进行仿生矿化修饰，使其具有更高的骨接触面积和骨结合强度。在这里，作者开发了一种附有功能化锶掺杂纳米羟基磷灰石涂层PEKK仿生支架（nSrHA/PEKK）用于骨质疏松性骨缺损的应用。该支架具有分级多孔结构和类似于骨质疏松性骨小梁的机械强度。
首先，作者评估了该支架的特征和离子释放能力。作者将支架植入去卵巢大鼠股骨干骺端缺损处，以研究其对破骨细胞和成骨细胞的影响。通过x射线光电子能谱（XPS），作者对样品表面元素组成进行分析，发现在nSrHA/PEKK中，Sr对Ca的替代率为9.7% (mol %)，表明Ca在晶格中被Sr有效取代。此外，HA晶颗粒在磺化PEKK上的成功沉积。沉浸在细胞培养基7天，可持续的Ca或Sr离子通过nHA / PEKK和nSrHA / PEKK支架释放。培养基中的钙离子浓度4天内明显下降,然后缓慢增加。猜测这可能是由于钙在支架上快速吸附和缓慢地从纳米颗粒释放导致的。并且，nHA和nSrHA涂层均显著增强了支架表面骨样磷灰石的形成，这是材料与骨整合的关键因素。
之后，作者将支架与来源于骨质疏松的成骨细胞共同培养。nSrHA/PEKK组的细胞面积更大，细胞形态呈扁平的多边形，且细胞活力更高。作者对骨质疏松成骨细胞关键成骨基因表达进行检测，发现nSrHA/PEKK组细胞中碱性磷酸酶(ALP)、骨涎蛋白(BSP)、runt相关转录因子2 (Runx-2)、血管内皮生长因子(VEGF)等基因表达明显上调。Western blotting分析了细胞外信号调节蛋白激酶(ERK)、p38、Akt和β-catenin通路等的参与情况。在参与这些通路的蛋白中，nSrHA/PEKK组磷酸化ERK (p-ERK)蛋白水平显著升高。
除骨形成外，作者还研究了支架诱导的破骨形成。nSrHA/PEKK组的破骨细胞数量明显低于其他组。此外，抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）和碳酸酐酶(CAII)的活性在nSrHA/PEKK组中均下降。并且，检测破骨关键基因的表达后发现nSrHA/PEKK支架显著抑制了这些基因的表达。nSrHA/PEKK对与破骨细胞分化相关的主转录调节因子c-fos和NFATc1的抑制作用更强。这些结果表明，ERK通路在PEKK表面修饰诱导的成骨细胞和破骨细胞活性的再平衡中发挥了重要作用。
在骨再生能力方面，植入支架的大鼠在体重方面没有差异，但是nSrHA / PEKK组血清中的TRAP和I型胶原蛋白C端端肽（CTX）水平更低，且nSrHA/PEKK组骨形成标志物PINP和OCN水平均升高。这些结果表明nSrHA/PEKK支架能有效促进骨形成，抑制骨吸收。通过显微计算机断层扫描（μ-CT）观察到nSrHA/PEKK组从第4周开始出现更多的骨形成并且种植体附近的骨小梁得到了很好的维护。nSrHA/PEKK组骨密度和邻近骨小梁数明显增加，骨小梁间距明显减少。组织学染色发现，nSrHA/PEKK组新生骨面积和邻近骨面积均高于对照组。不仅如此，在单个小梁上连续进行程序化加载和卸载，以模拟生理运动后发现nSrHA/PEKK组骨向内及邻骨的压痕深度均为各组中最小，反映出较强的抗变形能力。
此外，作者评估了多个植入前和植入后参数之间的相关性，以确定材料在体内性能的潜在预测因子，这对于定义多孔材料治疗骨缺损的潜在设计参数具有重要意义。因此，该研究不仅为骨质疏松骨修复开发了一个有前途的候选材料，而且为设计其他功能性生物材料和预测其转化价值提供了一个可行的方法。
