Advanced Healthcare Materials: 骨植入体表面亲水性对巨噬细胞极化表型的调控机理研究

由于人口老龄化、运动和交通事故等原因,骨植入材料的需求越来越大。钛及钛合金是常用的骨植入材料,其表面形成的二氧化钛(TiO2)钝化膜有助于提高钛及钛合金的生物相容性和耐腐蚀性能,因此TiO2作为生物相容性薄膜材料得到了广泛关注。我们前期研究发现,原子层沉积(Atomic layer deposition, ALD)技术制备的TiO2薄膜经紫外辐照后,可提高表面亲水性并有利于成骨细胞分化。近年的研究表明,植入体在体内的骨整合过程不仅与成骨细胞相关,免疫系统的应答对材料的骨整合行为亦产生重要的影响。因此,本工作进一步考察TiO2薄膜的亲水性对特定的免疫细胞(巨噬细胞)炎症反应和骨免疫性能的影响,并从分子生物学层面来解释其影响机理。

在本文中,中国科学院上海硅酸盐研究所郑学斌研究员与曹韫真研究员课题组合作,利用ALD技术结合紫外辐照及自组装单分子层(SAMs)制备了具相近表面形貌的TiO2亲水薄膜和疏水薄膜,此外,我们还采用微接触印刷(Micro-contact printing, μ-CP)技术在同一基底上制备了亲水条带与疏水条带相间的表面。结果表明,相比于疏水表面,亲水表面更有利于巨噬细胞伸展;在亲疏水条带相间表面,巨噬细胞在亲水区域和疏水区域粘附形态的差异得到了直观地对比。与疏水表面相比,亲水表面还能够促进巨噬细胞向抑炎症的M2极化表型转变,且通过分泌较多的促成骨相关因子(BMP-2、TGF-β1)促进前成骨细胞MC3T3-E1的成骨分化和矿化,对组织修复产生有利影响。

相关的机理探索发现,植入体表面的亲水性能够影响两种特异性蛋白纤连蛋白(Fibronectin, FN)和纤维蛋白原(Fibrinogen, FG)的构象。亲水表面FN活性更高,细胞识别位点RGD更加暴露;而在疏水表面FG活性更高,γ链(包含细胞识别位点P1、P2片段)更加暴露。巨噬细胞通过β1和β2整联蛋白分别识别FN和FG,因此亲水表面巨噬细胞β1整联蛋白表达较高,而疏水表面β2整联蛋白更易表达。进一步研究表明,β1和β2整联蛋白能够分别激活细胞内PI3K/Akt信号通路和NF-κB信号通路,分别促进细胞向抑炎症(M2)和促炎症(M1)方向极化。因此与疏水表面相比,亲水表面表现出更好的抑炎症、促成骨修复效果。本工作由吕林博士研究生作为第一完成人完成,相关论文发表在Advanced Healthcare Materials (DOI:10.1002/adhm.201800675)上。