纳米生物材料及其界面特性对成骨细胞生长影响的研究进展

3国家自然科学基金(50603032);重庆市科委自然科学基金(2006BB4001)资助　蔡开勇:男,博士后,研究方向为生物材料、组织工程　Tel :023*********　E 2mail :kaiyong_cai @
纳米生物材料及其界面特性对成骨细胞生长影响的研究进展3
蔡开勇
(重庆大学生物工程学院,重庆400044)
摘要 目前传统生物材料并没有诱发适当的细胞响应,进而再生足够的骨以便使材料/器械维持相当长时间。

纳米生物材料可能成为骨修复植入材料的另一选择。

从拓扑结构、表面化学和表面亲/疏水性等方面综述了新型纳米材料的界面特性对成骨细胞生长和功能表达的影响。

讨论了在骨修复应用中使用纳米生物材料潜在的挑战。

关键词 纳米生物材料　界面特性　骨修复　成骨细胞
Advances in R esearch on the E ffects of N anobiomaterials and Their
Interfacial Properties on Osteoblast G row th
CA I Kaiyong
(College of Bioengineering ,Chongqing University ,Chongqing 400044)
Abstract Current conventional biomaterials have not invoked suitable cellular responses to regenerate enough
bone to allow these materials/devices to be successful for long periods of time.Nanobiomaterials may be an alternative to orthopedic implant materials.In this article ,the effects of novel nanobiomaterials interfacial properties on osteoblast growth and f unctions are reviewed f rom the aspects of topography ,surface chemisty as well as surface hydrophilic/hy 2drophobic property etc.Potential challenge associated with the use of nanobiomaterials in orthopedic applications is also addressed.
K ey w ords nanobiomaterials ,interfacial properties ,bone rehabilitation ,osteoblasts
0　引言
骨细胞外基质含两种主要成分:有机胶原纤维和无机骨矿物质晶体,形成由宏观、介观到微观不同尺度上的分级组织(图1)[1]。

胶原由刚性纳米结构原胶原分子(长约300nm ,宽约1.5nm )按特定结构排列而成。

图1　骨在不同尺度上的分级组织[1]
Fig.1　Hierarchical organization of bone over
different length scales [1]
骨中的主要无机相为羟基磷灰石(HA ),分子式为Ca 102(PO 4)6(O H )2,具有与天然骨矿物质类似的晶体结构[2]。

通常,微米或更大尺度的磷灰石具有溶解稳定性。

然而,纳米尺度(5～100nm )的磷灰石晶体具有可溶性,能被宿主持续吸收和沉积、重建。

很多疾病和情形可能破坏天然健康骨的结构,比如,骨质疏松症及骨缺损。

人们努力地开发和改进材料和药物以便能更好地治疗骨缺损和促进骨愈合。

不幸的是,目前尚未发现一种材料或方法真正成功和有效。

本文将全面讨论纳米生物材料在预防和治疗骨相关疾病的研究。

首先介绍目前骨移植材料面临的挑战。

然后,从拓扑结构、表面化学、亲/疏水性及固载生长因子等方面阐释纳米结构生物材料在骨修复应用中的潜在应用前景。

最后,将讨论在骨修复应用中使用纳米材料的潜在缺陷或相关负效应。

1　骨移植材料及挑战
当骨质变化或骨缺损时,通常使用骨移植材料或固定装置来治疗。

目前,尚无更好的生物材料用于临床治疗因骨质疏松引起的骨质变化和骨折。

据统计[3],目前所用于骨固定器械(包括钛、Ti6Al4V 、CoCrMo 合金等)的使用寿命低于15年。

作为骨修复应用材料,其机械性能是一个重要的技术指标。

更重要的是,骨植入体不但临时替代缺损骨,而且提供一个供宿主自身骨和维管网络再生和愈合的框架。

当新骨、血管及软组织生长并连接骨缺损片断时,骨植入体应作为支撑它们的支架,这样就强化了接枝区域并固定了骨植入体。

理想情形是骨植入体应当
同时能与宿主组织相互作用,诱导黏附,甚而促进成骨性干细胞的分化功能,而不是作为一个惰性平台与缺损组织附近巡游细胞作用。

为了设计更好的骨修复植入材料,我们必须关注于如何诱导诸如黏附、增殖和分化等细胞行为。

同时,另一个需要考虑的问题是骨修复植入材料与健康骨界面的骨形成细胞(成骨细胞)和骨吸收细胞(破骨细胞)间的协同活动。

成骨细胞和破骨细胞间缺乏“交流”则可能导致植入体附近的骨坏死或植入体与周边健康骨的联系相当脆弱,最终产生新的骨折。

另一个不期望的事件则是由成纤细胞形成的[4],过渡的纤维样软组织会妨碍成骨细胞/破骨细胞的活动,进而导致植入体与周边健康骨的骨再生相当微弱。

2　纳米生物材料的界面特性
2.1　拓扑结构
拓扑结构是组织工程研究中的一个主要研究主题[1]。

拓扑结构通常被报道对成骨样细胞的增殖和分化具有重要影响:随着材料表面粗糙度和无规则度增加,细胞分化和细胞外基质合成增加,同时对应伴随着细胞增殖能力的提高。

生物仿生学研究正在探索如何利用具有纳米尺寸拓扑结构的材料来控制细胞行为。

目前,细胞是如何探测并对纳米特征反应的问题尚未解决。

可能的机理是:纳米尺寸拓扑结构通过调节影响细胞骨架形成和膜受体的界面张力,进而改变细胞内信号传递途径。

纳米尺寸表面特征也可能影响整联蛋白(integrin)结合蛋白的吸附及构象,改变有效结合位点和整联蛋白信号传递[5]。

大量研究探索了表面粗糙度对骨植入材料性能的影响。

相对于平滑表面,分别以砂磨、刻蚀、机械打磨以及微米尺寸的金属微珠处理得到的微米表面粗糙度(<10μm)钛材,提高了成骨细胞诸如黏附、增殖、碱性磷酸酶活性以及含钙矿物质的沉积[6]。

微米多孔结构的钛材提高了诱导骨生成能力,相比之下,具有非微米多孔结构的钛材根本不具备诱导骨生成能力[7]。

然而,在这些研究中制备的粗糙度特征(微米粗糙度)并不与成骨细胞在体内适应的粗糙度相匹配。

既然天然骨是由具有纳米结构的成分组成,其研究重点就应在开发制备纳米粗糙度材料的技术上,而非制备微米结构表面。

此外,Webster等[8]在陶瓷基材上验证了纳米尺度表面粗糙度对成骨细胞功能表达的重要性。

实验中,羟基磷灰石的晶相、结晶度和表面化学成分保持不变,仅改变表面的纳米/微米粗糙度特征。

纳米相陶瓷的纳米表面粗糙度结构提高了成骨/破骨细胞的响应,同时抑制了成纤细胞的功能表达。

Mustafa 等[9]研究表明:提高了纳米相陶瓷的粗糙度(60～300nm),降低了成纤细胞初始黏附行为。

同样的现象也在聚乳酸2乙醇酸(PL GA)基材上得到证实。

总之,这些研究结果意味着细胞对纳米(<100nm)尺度表面粗糙度变化的响应相对于传统表面粗糙度(>100μm)的变化更敏感,并且该响应敏感度因细胞类型而异。

最重要的是,具有纳米结构特征的材料一方面能提高材料植入的骨整合潜力,另一方面能降低成纤细胞的功能,这对骨修复植入材料的应用而言是可喜的研究成果。

2.2　表面化学
除拓扑结构外,表面化学对蛋白质吸附和随后的细胞黏附行为都具有重要影响。

近来,利用单分子层自组装(SAMs)研究证实材料表面化学能调控细胞的黏附和伸展,进而影响组织的再生[10],纳米科技也正被同时应用于改变植入材料的表面化学。

以钛材为例,其表面氧化层的诸多性质被认为对骨的最佳响应具有重要影响。

钛材植入体表面的表面化学组成可通过化学方法进行调节,进而寻找能诱导最佳生理响应的表面化学组成。

表面化学的重要性可从已报道的有关细胞在不同钛合金、不同纯度的钛材和不同金属表面的生理响应得以体现[11]。

阳极氧化法则是被广泛应用于诸如钛材等金属的纳米改性技术,生成的纳米尺度保护层同时也具有促进骨整合和生长的作用[12]。

另一新兴研究则是利用层层自组装技术在钛材表面构建纳米结构进行表面改性。

在前期研究中,我们采用壳聚糖和明胶的层层自组装修饰超平整钛膜,构建了具有纳米结构(粗糙度约为82nm)及化学特征的表面,大大提高了钛材对成骨细胞的生理响应[13]。

另一新兴领域则是利用影印平板技术(或微接触印迹技术)制备微米/纳米表面特征材料,尚处于起始研究阶段。

该技术可同时调控微米/纳米尺度拓扑结构及其化学组成,为由材料表面特征调控细胞行为提供了更大的便利[14]。

2.3　表面亲/疏水性能
纳米科技也可用于改善植入体材料的表面亲/疏水性能。

已有的研究表明:细胞的黏附、增殖和分化等行为与材料表面适宜亲/疏水平衡紧密相关[15]。

因而,诸如钛材、羟基磷灰石等具有适宜的亲/疏水性能的材料与骨有良好的整合性。

另一方面,许多诸如聚乳酸等用于组织工程的疏水性可降解聚合物,在具体应用中需进行表面改性以提高材料的亲水性和亲/疏水平衡[16]。

Webster等[17]研究发现:将氧化铝陶瓷颗粒尺寸从167nm 降低到24nm,材料的静态水接触角降低了2/3,即亲水性能提高了。

还报道了能促进成骨细胞黏附的玻连蛋白在亲水性纳米相陶瓷表面具有更好的吸附特性。

同时,吸附在纳米相陶瓷相对于传统陶瓷表面的玻连蛋白具有更伸展的蛋白构象,呈现更多供成骨细胞黏附的位点。

考察纤连蛋白也得到与上述类似的结果[18]。

与单相陶瓷类似,利用纳米相陶瓷与聚合物构建复合物改善了材料的亲水性,提高了成骨细胞的功能表达。

Kay等[19]研究证实:纳米尺寸二氧化钛粒子镶嵌的PL GA相对于传统二氧化钛粒子(>100nm)和PL GA复合材料具有更好的亲水性,更能提高成骨细胞的功能。

另有研究[20]发现:成骨细胞在纳米尺寸亲水的金属(Ti、Ti6Al4V和CoCrMo)表面较对应的传统材料(组分颗粒>100nm)能沉积更多的含钙物质。

有必要指出的是,尽管改变某一种骨修复植入体材料特性(可以是表面化学组成)已经成为许多研究者用于探索提高骨修复植入体性能的主要方法。

然而,这样的研究成果并没被广泛接受和应用于制备骨修复材料。

因而,笔者认为阐释材料的其他性能,比如纳米材料拓扑结构,对促进成骨细胞功能和骨生长可能是更合理的选择,即阐释纳米相材料及其相应的生物仿生纳米拓扑结构对成骨细胞功能的影响。

3　纳米生物材料:一种治疗骨缺损和骨质疏松的新材料
纳米科技的应用使得开发兼备生物活性、降解性及高机械
性能的生物材料成为可能[21]。

纳米复合物材料的研究可为其应用提供一条有效的途径[22]。

由于纳米材料拥有天然组织(比如蛋白质)成分类似的尺度,为材料的开发提供了新的选择。

对植入体材料表面进行修饰以便获得具有生物仿生的纳米特征表面,无疑会对开发下一代骨修复材料起到关键作用,这点已取得广泛共识,具有纳米粗糙度的植入体诱导骨形成能力普遍优于具有微米粗糙度的植入体。

实际上,与传统材料(组成尺度大于1μm的材料)相比,很多研究证实具有纳米结构的材料,包括陶瓷、金属、聚合物及复合物,大大提高了骨整合性能[8]。

3.1　仿生纳米生物材料
运用仿生学原理与纳米表面工程原理和工艺,将多肽、生长因子、基因等特定分子识别信号固定在材料表面,对其进行分子设计和生物化处理,研制具有特定结构和功能的仿生“智能”基质材料,可以实现分子识别。

由于植入体材料表面的初始蛋白吸附对随之细胞黏附等生理行为会产生重要影响,因而,一旦改变材料的表面性能,蛋白吸附和细胞功能都会受影响。

如上所述,纳米尺度材料可能会较传统材料更能有效地与关键蛋白(玻连蛋白、纤连蛋白)相互作用,进而调控细胞的功能。

已有的研究证实:蛋白质(玻连蛋白、纤连蛋白)在纳米相材料表面的吸附和构象(生理活性)能特异地提高成骨细胞的黏附。

Woo等[23]报道了三维纳米聚乳酸纤维支架相对于传统聚乳酸支架能更好地选择吸附包括玻连蛋白和纤连蛋白在内的蛋白质,进而提高成骨细胞在支架材料的功能表达。

其中的机理可能涉及纳米聚乳酸纤维支架具有更好的亲水性以及表面特征更接近于蛋白尺寸(纳米尺度),对所吸附蛋白的生理活性降低较弱。

最近有研究报道,以化学方法将R G D肽接到纳米晶体羟基磷灰石(HA)和无定形磷酸钙表面[24],随着纳米域颗粒尺寸和无定形磷酸钙结晶度的降低,成骨细胞的功能表达随之提高。

另有研究[25]利用化学键将骨形态发生蛋白(BMP22)的活性片断大分子固定到纳米材料表面,应用于骨修复重建。

3.2　分子自组装纳米生物材料
分子生物材料是由MIT的Zhang[26]提出的材料设计的新概念,其主要理念在于蛋白质或合成多肽的自组装,形成纳米尺度的生物材料。

该自组装受诸如氢键、离子键(静电作用)、疏水作用及范德华力等非共价键力驱动。

这些非共价键作用可以调节生物分子的结构和构像,并调控与其他分子间的相互作用。

最近发现一类由自组装寡肽组成的生物材料[27,28],这些生物材料支架的成分是由自我互补的两性寡肽组成,它们有规则的重复单位:带正电的氨基酸残基(赖氨酸或精氨酸)和带负电的氨基酸残基(天冬氨酸或谷氨酸)被亲水性残基(丙氨酸或亮氨酸)分开。

自我互补的两性寡肽包含50%的带电残基,并且以交替的离子亲水性和不带电的憎水性氨基酸的周期重复为特征。

这些例子包括RAD162Ⅰ(以单个字母代替氨基酸,其序列为AcN2RADARADARADARADA2CN H2)和RAD162Ⅱ(其序列为AcN2RARADADARARADADA2CN H2)。

尽管RAD162Ⅰ和RAD162Ⅱ长度相同,氨基酸数目相同,但是RAD162Ⅰ有(RA2 DA)n的空间模式(其中n代表重复数),而RAD162Ⅱ只有2个(RARADADA)n的空间模式。

这类分子自组装纳米生物材料对包括神经细胞的多种细胞具有很好的细胞相容性。

4　结语
尽管纳米结构植入材料拥有许多如前所述的促进细胞响应的潜在优势,但一个不得不面对的问题是纳米生物材料在体内的相容性。

很明显,人们需要进行大量动物实验和前期临床才能将纳米生物材料应用于骨修复植入。

一旦纳米颗粒从骨修复植入材料的渗出成为问题,就必须采用其他诸如阳极氧化和刻蚀技术来制备材料的纳米粗糙度。

另外,对于微米尺度的磨损碎片对骨健康的影响在过去几十年已有深入研究,而对纳米尺度的磨损碎片对骨细胞和骨健康的影响则知之甚少。

显然,今后需大力加强对纳米材料的毒性实验,以实现纳米科技在制备骨修复材料中的应用。

总之,目前挑战依然存在,已有的研究结果表明:纳米生物材料可以提高植入体与周边骨组织的整合,已逐步成为一个新的研究领域。

即使纳米生物材料最终也并非尽善尽美,我们也可从该研究中获取有关骨细胞对纳米结构表面识别的大量信息,这无疑对提高骨修复植入材料的效率和稳定性有诸多益处。

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