文獻(xiàn)導(dǎo)讀

       2020年12月11日，四川大學(xué)國(guó)家生物材料工程研究中心朱向東和楊曉作為共同通訊作者在Science Advances上發(fā)表了題為“A biomimetically hierarchical polyetherketoneketone scaffffold for osteoporotic bone repair”的文章。該文章開發(fā)出一種附有功能化鍶摻雜納米羥基磷灰石涂層PEKK仿生支架用于骨質(zhì)疏松性骨缺損的治療。

研究介紹

       骨質(zhì)疏松性骨折在社會(huì)上很普遍，并且隨著世界范圍內(nèi)人口的老齡化，其發(fā)病率呈上升趨勢(shì)。與正常骨折相比，骨質(zhì)疏松性骨折的修復(fù)尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榛颊吖趋缽?qiáng)度、骨密度、骨小梁微結(jié)構(gòu)和骨形成能力均降低，導(dǎo)致骨不連和固定失敗。傳統(tǒng)的骨修復(fù)材料很難滿足病理性骨折的修復(fù)要求。

       聚芳醚酮類（PAEKs）材料自1998年被FDA承認(rèn)其生物相容性后，逐漸成為主流的高分子材料，尤其是聚醚醚酮（PEEK）在醫(yī)療應(yīng)用的十分廣泛。盡管具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)性質(zhì)，但是PEEK與骨整合較差。近年來，聚醚酮酮（PEKK）開始在醫(yī)藥領(lǐng)域受到關(guān)注。此前，作者對(duì)PEKK表面進(jìn)行仿生礦化修飾，使其具有更高的骨接觸面積和骨結(jié)合強(qiáng)度。在這里，作者開發(fā)了一種附有功能化鍶摻雜納米羥基磷灰石涂層PEKK仿生支架（nSrHA/PEKK）用于骨質(zhì)疏松性骨缺損的應(yīng)用。該支架具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)和類似于骨質(zhì)疏松性骨小梁的機(jī)械強(qiáng)度。

       首先，作者評(píng)估了該支架的特征和離子釋放能力。作者將支架植入去卵巢大鼠股骨干骺端缺損處，以研究其對(duì)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的影響。通過x射線光電子能譜（XPS），作者對(duì)樣品表面元素組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在nSrHA/PEKK中，Sr對(duì)Ca的替代率為9.7% (mol %)，表明Ca在晶格中被Sr有效取代。此外，HA晶顆粒在磺化PEKK上的成功沉積。沉浸在細(xì)胞培養(yǎng)基7天，可持續(xù)的Ca或Sr離子通過nHA / PEKK和nSrHA / PEKK支架釋放。培養(yǎng)基中的鈣離子濃度4天內(nèi)明顯下降,然后緩慢增加。猜測(cè)這可能是由于鈣在支架上快速吸附和緩慢地從納米顆粒釋放導(dǎo)致的。并且，nHA和nSrHA涂層均顯著增強(qiáng)了支架表面骨樣磷灰石的形成，這是材料與骨整合的關(guān)鍵因素。

       之后，作者將支架與來源于骨質(zhì)疏松的成骨細(xì)胞共同培養(yǎng)。nSrHA/PEKK組的細(xì)胞面積更大，細(xì)胞形態(tài)呈扁平的多邊形，且細(xì)胞活力更高。作者對(duì)骨質(zhì)疏松成骨細(xì)胞關(guān)鍵成骨基因表達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)nSrHA/PEKK組細(xì)胞中堿性磷酸酶(ALP)、骨涎蛋白(BSP)、runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2 (Runx-2)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)等基因表達(dá)明顯上調(diào)。Western blotting分析了細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)、p38、Akt和β-catenin通路等的參與情況。在參與這些通路的蛋白中，nSrHA/PEKK組磷酸化ERK (p-ERK)蛋白水平顯著升高。

       除骨形成外，作者還研究了支架誘導(dǎo)的破骨形成。nSrHA/PEKK組的破骨細(xì)胞數(shù)量明顯低于其他組。此外，抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）和碳酸酐酶(CAII)的活性在nSrHA/PEKK組中均下降。并且，檢測(cè)破骨關(guān)鍵基因的表達(dá)后發(fā)現(xiàn)nSrHA/PEKK支架顯著抑制了這些基因的表達(dá)。nSrHA/PEKK對(duì)與破骨細(xì)胞分化相關(guān)的主轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子c-fos和NFATc1的抑制作用更強(qiáng)。這些結(jié)果表明，ERK通路在PEKK表面修飾誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性的再平衡中發(fā)揮了重要作用。

       在骨再生能力方面，植入支架的大鼠在體重方面沒有差異，但是nSrHA / PEKK組血清中的TRAP和I型膠原蛋白C端端肽（CTX）水平更低，且nSrHA/PEKK組骨形成標(biāo)志物PINP和OCN水平均升高。這些結(jié)果表明nSrHA/PEKK支架能有效促進(jìn)骨形成，抑制骨吸收。通過顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μ-CT）觀察到nSrHA/PEKK組從第4周開始出現(xiàn)更多的骨形成并且種植體附近的骨小梁得到了很好的維護(hù)。nSrHA/PEKK組骨密度和鄰近骨小梁數(shù)明顯增加，骨小梁間距明顯減少。組織學(xué)染色發(fā)現(xiàn)，nSrHA/PEKK組新生骨面積和鄰近骨面積均高于對(duì)照組。不僅如此，在單個(gè)小梁上連續(xù)進(jìn)行程序化加載和卸載，以模擬生理運(yùn)動(dòng)后發(fā)現(xiàn)nSrHA/PEKK組骨向內(nèi)及鄰骨的壓痕深度均為各組中最小，反映出較強(qiáng)的抗變形能力。

       此外，作者評(píng)估了多個(gè)植入前和植入后參數(shù)之間的相關(guān)性，以確定材料在體內(nèi)性能的潛在預(yù)測(cè)因子，這對(duì)于定義多孔材料治療骨缺損的潛在設(shè)計(jì)參數(shù)具有重要意義。因此，該研究不僅為骨質(zhì)疏松骨修復(fù)開發(fā)了一個(gè)有前途的候選材料，而且為設(shè)計(jì)其他功能性生物材料和預(yù)測(cè)其轉(zhuǎn)化價(jià)值提供了一個(gè)可行的方法。