生理性电场推动了传统多铁材料的医学应用——内建电场促进种植体界面骨整合

颅颌面骨、牙硬组织缺损与缺失直接影响面容、咀嚼、吞咽、发音等功能,严重损害患者的身心健康,是口腔疾病诊疗的重点。材料植入是目前颅颌面硬组织再生修复的研究热点,材料的特性决定了临床治疗的效果和长久性。目前植入体材料与骨组织的界面结合能力差是导致修复失败的主要原因,也是一直以来困扰患者的突出问题。因此,如何使植入体材料能够快速有效地实现骨整合,是口腔医学界及材料学界亟待解决的重要科学问题。最近,基于内源性电场重要的生物学意义掀起了生物材料研究的热潮,然而,将生理性电场直接引入到人工材料进行骨、牙再生修复领域仍然非常困难。

为了突破这一难题,北京大学口腔医学院邓旭亮教授课题组首次提出了“内建电场”设计理念。采用激光外延生长技术从原子尺度精确控制材料表面纳米涂层铁电极化状态,获得与缺损骨壁表面负电势大小一致、方向相反的种植体表面正电势,二者之间形成内建电场。在体内实验中,植入大鼠股骨远心端2周,仿生电活性植入体表面形成具有更多、更成熟的新生骨小梁结构与更紧密的界面骨结合;术后8周,仿生电活性植入体表面与新骨间结合紧密,骨重建程度高,密质骨层厚,明显提高骨整合性能。体外研究发现仿生电活性微环境不仅可以促进细胞粘附分子吸附、聚集与间充质干细胞趋化,而且可以显著激活间充质干细胞粘附、铺展与成骨蛋白分泌,进而通过PCR芯片技术阐明了仿生电活性微环境随时间迁移序列激活不同信号轴表达上调诱间充质干细胞功能分化的规律:依次激活Ca2+信号、Itg-CSK信号、PI3K-AKT信号。

该项工作开创性的提出了内建电场设计理念,通过精确控制植入体表面仿生电势匹配缺损骨壁表面内源性电势,诱发内建电场,趋化干细胞定植的同时序列激活不同信号轴表达上调诱导成骨分化,促进快速界面生物愈合,将为发展新一代仿生电活性骨植入体提供了重要的理论与技术支撑,同时扩展和加深了对基于生物电的组织再生策略的认识。相关论文发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201703771)上,刘云博士与张学慧副研究员为共同第一作者,邓旭亮教授、卫彦副教授及张金星教授为共同指导教师。

Speak Your Mind

*