微量元素锶掺杂生物材料在骨修复领域的应用

赵睿; 杨晓; 朱向东; 张兴栋

doi:10.7536/PC200537

化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (4) :533-542 DOI: 10.7536/PC200537

综述

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微量元素锶掺杂生物材料在骨修复领域的应用

赵睿 ¹ ,
杨晓 ¹^,^* ,
朱向东 ¹ ,
张兴栋 ¹

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Application of Trace Element Strontium-Doped Biomaterials in the Field of Bone Regeneration

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摘要

临床研究证实雷奈酸锶可以通过改善骨形成同时减少骨吸收以抑制骨质疏松症。这些作用部分是通过锶对骨代谢的影响来介导的,微量元素锶能够促进成骨和血管生成。目前,在骨科相关领域对掺锶复合材料的研究日益增多。本文主要综述了锶对骨组织的主要作用机制,以及与骨之间的相互作用,亦着重介绍了不同锶掺杂生物材料在局部骨组织修复中的应用,尤其是在骨质疏松性骨再生中的应用,以期为锶在骨修复中的进一步应用提供理论依据。

Abstract

Clinical studies have confirmed that strontium ranelate can inhibit osteoporosis by improving bone formation and reducing bone resorption. These effects are partly mediated by the effect of strontium on bone metabolism. Trace element strontium can promote osteogenesis as well as angiogenesis. To date, the research on strontium-doped composites is increasing in orthopaedic related field. The current article mainly reviews the main action mechanisms of strontium on bone tissue, including the validated and potential mechanisms, as well as the detailed biological interaction between strontium and bone. This article also focuses on different strontium-doped biomaterials applied in the local bone tissue repair, especially for the osteoporotic bone regeneration. We hope that this review would shed light on the rationale for further application of strontium in bone repair.

Contents:

1 Introduction

2 Action mechanism of strontium

2.1 Effect of strontium on osteogenesis

2.2 Effects of strontium on osteoclastogenesis

2.3 Effects of strontium on angiogenesis

3 Strontium doped bone repair materials

3.1 Strontium-doped bone cement

3.2 Strontium-doped calcium phosphate bioceramic

3.3 Strontium-doped bioactive glass

3.4 Bioactive coating of strontium-doped composite

3.5 Other strontium-doped multiphase composites

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

锶 / 骨再生 / 雷奈酸锶 / 骨质疏松 / 生物材料

Key words

strontium / bone regeneration / strontium ranelate / osteoporosis / biomaterials

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赵睿, 杨晓, 朱向东, 张兴栋. 微量元素锶掺杂生物材料在骨修复领域的应用[J]. 化学进展, 2021, 33(4): 533-542 DOI:10.7536/PC200537

Rui Zhao, Xiao Yang, Xiangdong Zhu, Xingdong Zhang. Application of Trace Element Strontium-Doped Biomaterials in the Field of Bone Regeneration[J]. Progress in Chemistry, 2021, 33(4): 533-542 DOI:10.7536/PC200537

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1 引言

微量元素在维持天然骨骼健康中的重要性已有详细报道,例如锂、锌、镁、锰、硅和锶等元素已经被证实可以促进骨生成或血管形成^[1]。其中,锶(Strontium,Sr)作为人体的一种必需微量元素,在元素周期表中与钙(Calcium,Ca)同族,与钙的元素性质相似,生理功能也与骨骼形成密切相关,且体内99%的锶(36~140 mg/kg)均沉积在股骨、腰椎以及髂骨等部位^[2]。然而与钙相比,锶在骨骼中的总量较少,仅占钙含量的0.035%。锶具有促进前成骨细胞增殖、成骨细胞分化、骨基质矿化以及抑制破骨细胞分化等作用^[3]。其中,雷奈酸锶(strontium ranelate)是临床上使用最广泛的锶盐类药物,可以促进骨形成,抑制骨吸收,同时改善骨质量,降低骨折的发生率,可用于绝经后骨质疏松症的治疗^[4]。相比于骨质疏松常用药物阿仑膦酸钠(Alendronate),雷奈酸锶在老年骨质疏松患者中表现出更显著的治疗效果。并且研究发现对骨质疏松动物进行全身雷奈酸锶系统注射给药后可以促进骨折的愈合^[5]。但是长期采用雷奈酸锶药物治疗会出现腹泻、头痛、恶心和过敏等不良反应,欧洲药品管理局在2013年将雷奈酸锶的适应症限制为治疗重度骨质疏松症,并指出锶的使用会导致患者心肌梗死、血栓栓塞事件和严重的皮肤反应性等疾病的风险增加^[6]。

研究人员因而设想,如在骨折处使用能够局部缓释锶的骨材料,或许能够避免系统注射雷奈酸锶带来的不良反应,有望加速促进骨折愈合。近年来众多研究证实,复合锶的一系列生物材料,如锶掺杂的磷酸钙生物活性陶瓷、生物活性玻璃以及骨水泥等,均具备加速周围宿主骨形成的能力^[7,8]。研究进一步发现,锶作为骨修复材料的添加剂还可有效作用于已患骨质疏松的宿主骨,提升自体骨的愈合能力^[9,10]。然而局部释放的锶究竟以何种方式刺激新骨生成以及通过哪些信号通路作用于周围成骨及破骨细胞,至今尚未形成定论。本文将就锶的在骨代谢途径中的作用机制及近期锶掺杂的骨修复材料的研究进展进行阐述,以期为锶在骨修复中的应用提供参考。

2 锶的作用机制

尽管锶对骨再生具有积极作用,但其作用机制尚未明确。一般认为锶和雷奈酸锶具有相似的作用方式,均能促进骨形成,同时减缓骨吸收^[11,12]。随着材料降解,锶离子缓慢释放,首先在局部形成富含锶离子的微环境。在体内实验中,Thormann 等利用飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)观察掺锶磷酸钙骨水泥中锶的释放,并在骨-种植体界面处发现有较高的锶浓度,这是掺锶组促进骨形成的主要原因^[9]。药理结果表明锶能激活破骨细胞或成骨细胞的多种信号通路,主要包括钙敏感受体(Ca-sensing receptor,CaSR)的激活导致磷脂酶Cβ、肌醇1, 4, 5-三磷酸的激活、细胞内Ca离子的释放、MAPK-ERK1/2和Wnt/NFATc信号的激活,进而促进成骨细胞增殖以及分化,从而发挥其药理作用^[12,13]。目前研究最多的细胞机制包括CaSR,它是一种定位于骨细胞的G蛋白偶联受体(GPCR),近年来被认为与骨重建有关^[14]。已经有研究证实CaSR 可以与Ca²⁺以及同族Sr²⁺相结合,进而控制关键细胞功能,如细胞生长、分化和凋亡^[15,16]。锶也可以通过破坏成熟破骨细胞的封闭区和皱褶边缘的肌动蛋白细胞骨架影响破骨细胞的生成和吸收活性^[17]。锶对成骨细胞和破骨细胞作用均具有剂量依赖性^[3]。此外,锶掺杂材料可能涉及锶与材料中其他成分的共同作用,从而对骨再生产生影响。

2.1 锶对成骨的作用

目前众多研究已经证实锶可以促进成骨细胞增殖与分化,诱导碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、骨钙素(osteocalcin,OCN)和骨涎蛋白(bone sialoprotein,BSP)等高表达,促进骨基质矿化和钙结节形成^[18,19]。近年来,体外研究进一步发现雷奈酸锶可通过激活CaSR通路一方面促进成骨细胞的增殖与分化,另一方面促进脂肪来源干细胞向成骨分化^[20]。同时锶通过下调Wnt抑制剂硬骨素的表达,进一步增强骨中β-catenin信号传导,细胞内促成骨因子表达增多,促进成骨细胞成熟、分化,增加骨形成^[11,21]。Peng等在2009年发现雷奈酸锶能通过增强多个调控不同成骨阶段和基质成熟的基因表达(BSP、OCN和ALP等),促进骨髓间充质干细胞(MSCs)向成骨分化。这一过程是通过Ras/MAPK信号通路介导,进而上调Runx2(runt-related transcription factor 2)表达,促进MSCs向成骨细胞分化^[22]。2013年文献报道,BMP-2/Smad通路也参与了锶诱导的大鼠MSCs向成骨细胞分化过程^[23]。此外,在2017年Jia等研究发现锶通过激活MAPK通路调节Setd2的表达,进而促进ERK磷酸化,产生正反馈,刺激成骨细胞MG63向成骨分化^[24]。

体外研究同样证实锶掺杂材料可以促进前成骨细胞以及成骨细胞的增殖与分化(图1)^[25]。例如Hao等发现掺锶的纳米羟基磷灰石能够促进成骨细胞的黏附和增殖,从而增加细胞外矿化基质的形成^[26]。与纯材料组相比,锶掺杂亚微米生物活性玻璃能够促进小鼠骨髓间充质干细胞(mMSCs)表达成骨相关因子ALP、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)和OCN,其机制可能是锶激活NFATc信号通路与硅酸盐激活Wnt/β-catenin通路的协同作用^[27]。Zhang等在2014年利用三维打印技术制备了锶取代度为分别为5、10和20 mol%的介孔生物活性玻璃(Sr-MBG)支架,Sr-MBG支架可以促进成骨细胞MC3T3-E1的增殖、ALP活性以及基质矿化^[28]。研究发现,在这些取代度不同的支架上,MC3T3-E1细胞的增殖和ALP活性并没有显著差异。而Liu等研究制备了锶取代度分别为1、2、5、8和10 mol%的聚磷酸钙(SCPP)支架,并且发现SCPP材料能够促进成骨细胞ROS17/2.8的增殖和分化^[29]。在低浓度锶的作用下,细胞增殖随锶浓度的增加呈现剂量依赖性的上升趋势,并且8 mol%的SCPP表现出最佳的增殖效果。SCPP组成骨细胞血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)mRNA表达均高于对照组,8 mol% SCPP效果最好。因此推测8 mol% SCPP释放出来的锶浓度接近于锶促进细胞增殖和成骨相关因子表达的最佳剂量。

2.2 锶对破骨的作用

破骨细胞可以被多种因素激活,其中常见的有促炎性细胞因子、糖基化终产物、应激、衰老以及生物材料植入后引起的急性期组织反应^[30]。因此主要由巨噬细胞产生的局部炎性细胞因子白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子(TNF-α)可导致骨植入界面破骨细胞的募集与激活。而由炎症和衰老所释放的细胞因子能够刺激成骨细胞核因子κB受体激活物配体(receptor activator of the nuclear factor kappa B ligand,RANKL)的表达,进而有助于招募和激活破骨细胞,从而导致骨丢失发生。雷奈酸锶被发现可以调控破骨细胞程序性凋亡,其机制包括锶激活CaSR以及PI3K/Akt信号通路,使Wnt/β-catenin信号级联放大,加强了对RANKL/RANK骨吸收信号通路的调节作用^[3,31]。锶还能够促进骨保护素(osteoprotegerin, OPG)的生成,OPG与RANKL结合,抑制RANKL诱导的破骨细胞生成,进而抑制骨吸收^[32]。Liu等发现雷奈酸锶通过抑制破骨细胞的生成,显著阻止了钛颗粒诱导的炎性骨溶解,大幅抑制骨吸收和抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)阳性细胞的产生^[33]。并且雷奈酸锶对破骨细胞生成的抑制作用与刺激OPG表达、抑制RANKL表达以及降低TNF-α和IL-1β的分泌有关。

研究发现锶取代亚微米生物活性玻璃(Sr-SBG)能适度调节炎症状态,促进mMSCs的成骨作用,并抑制巨噬细胞RAW264.7细胞向破骨细胞分化^[34]。与体外结果相一致的是体内研究同样证实锶的掺入减少了材料的免疫应答反应,从而促进了骨再生。同样,锶取代的磷酸钙骨水泥(Sr-CPC)以及纯材料均能与破骨细胞前体结合形成多核破骨样细胞,然而Sr-CPC能够降低破骨细胞相关酶TRAP、碳酸酐酶Ⅱ(carbonic anhydrase Ⅱ,CAⅡ)和连接蛋白43(connexin 43,Cx43)的活性,改变肌动蛋白细胞骨架,显著降低破骨细胞对其的吸收,但同时不抑制破骨细胞的生成^[35]。与之前研究相一致,硅酸钙陶瓷(CS)和锶取代的硅酸钙(SrCS)陶瓷对破骨细胞的抑制作用均表现为OPG的刺激和RANKL的下调,但CS的抑制作用仅出现在培养早期,SrCS的抑制作用更强也更持久^[36]。然而Thormann等发现在骨质疏松大鼠干骺端骨缺损中,锶掺杂磷酸钙骨水泥植入组的TRAP表达升高^[37]。与此研究相一致的是,我们发现与晶须磷酸钙陶瓷植入组相比,锶掺杂晶须磷酸钙陶瓷植入组TRAP阳性细胞的数量增加,表明破骨细胞的形成被激活^[38]。由此推测锶掺杂磷酸钙材料在体内促进骨形成原因可能在于锶的释放加速了局部骨转换(bone remodeling)进程。

2.3 锶对血管再生的作用

生物材料的促血管生成能力对于创伤愈合和组织再生起着至关重要的作用^[39]。雷奈酸锶可以通过激活PI3K/AKT/mTOR信号通路促进血管生成,上调VEGF和Ang-1成血管基因表达,免疫染色发现雷奈酸锶治疗组CD31和Vwf(内皮细胞的标志物)强度较高,因此锶还具有促血管化的作用(图2)^[40]。此外,研究发现低剂量锶掺杂聚磷酸钙材料能促进成骨细胞VEGF和bFGF的表达,促进血管生成^[29]。还有研究表明相对于不掺锶组,掺锶聚磷酸钙中VEGF、基质金属蛋白酶2(Matrix metalloproteinase 2,MMP-2)蛋白表达量更高,因而具有诱导血管生成作用^[41]。Zhao等将锶掺杂微纳米生物活性玻璃(SrBGM)植入大鼠颅骨1周后,发现材料降解释放出的硅、钙、磷和锶离子可以显著增加巨噬细胞从M1型向M2型极化的趋势,并促进抑炎相关细胞因子的表达,增强血管相关因子CD31的表达,促进巨噬细胞分泌血小板衍生生长因子BB(platelet-derived growth factor-BB,PDGF-BB),进而有利于血管的形成和成熟^[39]。近来,本课题组研究还发现对比晶须化的磷酸钙陶瓷,锶掺杂晶须化磷酸钙陶瓷植入体内1周后,在支架的边缘发现了一类与成骨相关的成血管蛋白(CD31/Emcn)的高表达并且有类血管结构出现^[38]。

3 掺锶骨修复材料

临床上骨缺损通常与骨质疏松和骨软骨关节炎等疾病相伴发生,锶除了能够促进骨形成以及血管再生外,还可以降低MSCs成脂分化,促进软骨再生。例如Peng等在体外实验中观察到锶可增加MSCs的成骨潜力,降低其成脂潜力^[42]。Fournier等通过实验证实了锶能够促进由于多能间充质细胞增殖,并且通过抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ2(PPARγ2)降低脂肪生成^[43]。除了抑制脂肪生成外,临床研究发现雷奈酸锶可能对软骨代谢产生积极作用,是一种很有前景的关节炎药物^[6]。据报道大剂量雷奈酸锶治疗可显著减轻软骨基质和软骨细胞丢失,并减少软骨细胞凋亡,提高合成代谢基因Ⅱ型胶原和聚集蛋白聚糖表达的关键转录因子SOX9的表达,减轻骨关节炎大鼠关节软骨退变和软骨下骨重塑^[44]。此外,含锶药物对改善关节功能丧失有一定的作用,可以减轻关节软骨组织学改变,减少炎症过程^[45]。Deng等研究了三维打印的Sr₅(PO₄)₂SiO₄(SPS)生物活性支架在由骨关节炎引起的软骨损伤中的组织再生作用。结果发现SPS支架可以显著促进软骨细胞增殖以及骨软骨缺损的再生,同时能够重建软骨与软骨下骨的复合界面结构^[46]。其机制可能为锶和硅离子通过协同激活HIF信号通路促进软骨再生,以及通过激活Wnt通路促进软骨下骨重建、抑制hedgehog途径以保护骨关节炎软骨。此外,Ma等制备了力学性能可调的海藻酸锶/硫酸软骨素(Alg/CS-Sr)水凝胶,该水凝胶具有良好的细胞相容性,并且可以抑制骨关节炎软骨细胞凋亡。体内研究进一步表明,Alg/CS-Sr复合水凝胶能够加速兔软骨缺损的修复^[47]。因此,还需要进一步研究以更好地阐明锶掺杂材料在骨代谢中的作用机制(表1)。

3.1 掺锶骨水泥

使用骨水泥的经皮椎体成形术是胸腰椎骨质疏松性骨折常用的固定方法之一。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥具有力学性能高、固定牢靠、凝固迅速、操作方便、成本低等优点,成为目前临床上最常用的固化材料之一^[48]。然而PMMA较差的生物相容性严重影响植入材料的长期稳定性,以掺锶的方法改进骨水泥,从而应用于骨质疏松骨修复已成为研究重点。Ni等分别用山羊和兔动物骨缺损模型研究了锶掺杂的羟基磷灰石(Sr-HA)骨水泥与PMMA骨水泥在翻修髋关节以及髂骨手术后的修复效果^[49,50]。研究发现,PMMA骨水泥与骨间可见纤维组织,而Sr-HA骨水泥具有良好的生物相容性和骨传导性,与骨接触更密切,骨结合强度更高。Thormann等进一步比较了掺锶磷酸钙骨水泥(SrCPC)和非掺锶对照骨水泥在骨质疏松大鼠股骨干骺端的临界尺寸骨修复情况^[9]。SrCPC可以显著促进骨形态发生蛋白2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)、OCN、ALP和胶原蛋白等的表达。而且研究证实锶可以从材料中释放到界面区域改善骨再生效果。Baier等同样采用骨质疏松大鼠股骨干骺端骨缺损动物模型比较含锶磷酸钙骨水泥(SPC)和磷酸钙骨水泥对骨修复的影响。结果发现SPC植入物的骨整合速度更快,骨形成量更多,而且新生骨可以在种植体的内部缝隙中爬行^[51]。SPC植入物仅对周围宿主骨微环境产生影响,不会导致血液中锶浓度超常,产生全身系统性成骨的副作用。2015年,Zhang等研究开发了一种由锶掺杂的硼酸盐生物活性玻璃颗粒和壳聚糖基结合相组成新型可注射性骨水泥(Sr-BBG)。与由无锶的硼酸盐玻璃颗粒组成的骨水泥(BBG)相比,Sr-BBG骨水泥在体外能促进人骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化(Runx2、OCN、BMP-2和BSP)等^[8]。并且在植入体内临界尺寸的兔股骨髁缺损模型4周和8周后,通过显微CT分析比较材料周边不同距离处的骨量,发现在种植体-骨界面处Sr-BBG骨水泥比BBG骨水泥具有更好的促骨再生能力。

3.2 掺锶磷酸钙生物陶瓷

磷酸钙陶瓷因具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性,在骨组织工程中的应用比较广泛^[52]。常规钙磷材料包括有磷酸二氢钙(DCPD)、无水磷酸二氢钙(DCPA)、羟基磷灰石(HA)、双相磷酸钙(BCP,HA/α-TCP和HA/β-TCP)、磷酸三钙(α-和β-TCP)和磷酸八钙(OCP)等。Vestermark等发现5% Sr掺杂HA(SrHA)移植物可以显著加速骨-材料之间的间隙愈合,但推出实验证实其并不能改善植入物的力学固定效果^[53]。本课题组通过水热处理制备了力学性能增强的晶须磷酸钙生物陶瓷(WCP)和锶掺杂晶须磷酸钙生物陶瓷(SrWCP)^[38]。在骨质疏松大鼠股骨远端的缺损模型中,分别植入了这两种生物陶瓷支架,并与另一组植入WCP并接受雷奈酸锶药物治疗的个体(Sr-Ran + WCP)进行比较(图3)。在植入12周后,与WCP组相比,SrWCP组在骨缺损处以及植入物-骨间隙区域有更多的新骨形成,达到了Sr-Ran + WCP喂药组的效果。在SrWCP和Sr-Ran + WCP组的植入材料周围,由骨质疏松症引起的骨质流失和骨小梁微结构破坏均得以改善。但是Sr-Ran + WCP喂药组中血液Sr离子浓度异常高,而在SrWCP组中未见不良反应。此外还有研究者将锶掺杂HA微球包埋在锶交联RGD海藻酸钠水凝胶中,制备出可注射的锶复合系统^[54]。

与未掺锶组相比,锶复合组材料降解率增加,骨缺损中心有较高的细胞浸润,新骨形成更多。更重要的是在不同组间,全身器官和血清中锶浓度没有统计学差异,表明材料的安全性好。Gao等采用一锅水热法合成了三元微量元素锶、硅和氟多掺杂的HA^[55]。细胞实验表明该多元掺杂HA具有良好的生物相容性,能够促进成骨细胞MG63的黏附和增殖。

3.3 掺锶生物活性玻璃

生物活性玻璃(BG)具有良好的骨传导和骨诱导特性,在体液中,BG中的硅、钙和磷离子迅速释放,并在材料表面形成羟基碳酸盐磷灰石层,可诱导成骨细胞分化,刺激骨再生^[56]。研究表明锶掺杂的介孔生物玻璃(Sr-MBG)以浓度依赖性方式显著促进骨质疏松骨髓基质细胞增殖,刺激成骨细胞分化标志物如Runx2、ALP和Bglap(bone gamma-carboxyglutamate protein)等的表达^[57]。体内实验发现与MBG支架相比,Sr-MBG支架能显著促进骨质疏松性骨缺损新生骨的形成,并且Sr-MBG组血液中锶的释放维持在一个较低的水平,而尿液中锶、硅、钙和磷的排泄也维持在与空白对照组相近的水平,因此不产生全身性副作用。此外,锶取代亚微米生物活性制备玻璃(Sr-SBG)可以适当地调节炎症状态,促进mMSCs向成骨分化,并且与纯材料相比,Sr-SBG能抑制RAW264.7细胞向破骨细胞分化^[34]。体内研究进一步证实Sr-SBG可以改善骨再生,在Sr-SBG组缺损周围的炎性纤维形成较少,边界处的新生骨较厚。之后进一步研究发现以冷冻干燥法制备的锶掺杂生物活性玻璃微球(SrBGM)/明胶支架可以通过调节巨噬细胞表型向M2表型转变,并高水平表达PDGF-BB,显著促进早期血管生成。体内研究显示该支架植入颅骨6周后,新骨形成得到显着促进,免疫组织化学染色也证实成骨相关蛋白BMP-2和OCN的阳性染色区域也更多^[39]。Kargozar等研究发现锶和钴取代的生物活性玻璃(Sr-CoBGM)在体外可以促进内皮细胞贴附,提高了细胞成骨和血管生成相关基因的表达水平^[7]。在植入体内4周和12周后与其他组相比显示出较高的胶原合成以及更好的成骨和血管能力,而且Sr-CoBGM组新生骨强度(37.10±1.50 HV)显著高于对照组(9.42±2.61 HV)。

3.4 复合锶的生物活性涂层

虽然金属和高分子材料具有优越的力学性能,但均为生物惰性材料,为了赋予其良好的生物活性,表面改性是不二选择。研究发现在钛或钛合金以及高分子基体上可以通过脉冲激光沉积、等离子喷雾或仿生等方法合成生物活性涂层,显著提升植入材料界面的稳定性^[48]。Li等在2010年采用溶胶-凝胶浸渍法在钛种植体表面制备HA和10% SrHA涂层,植入体内12周后,与HA相比,10% SrHA涂层植入物能显著改善骨质疏松大鼠中种植体的骨整合,骨面积比增加70.9%,骨-种植体接触增加49.9%,而且推出试验最大推出力和极限剪切强度分别提高107.2%和132.9%^[58]。Fielding等在等离子喷涂HA涂层中加入了银(Ag-HA)以提高植入钛材料的抗菌性能。为了抵消银带来的潜在细胞毒性作用,同时添加了锶作为二元掺杂剂^[59]。结果表明Ag-HA涂层具有细胞毒性作用,表现为细胞形态差、细胞死亡、功能性ALP活性几乎完全丧失。与纯HA涂层相比,锶的加入能够有效地抵消这些负面影响,提高涂层的生物学性能。之后同样有研究发现在锶银纳米管(NT-Ag.Sr)结构中,银的释放抑制了细菌的定植,从而最大限度地减少了细菌生物膜的形成,而锶掺入增强MC3T3-E1细胞的黏附、迁移和增殖,上调了成骨基因的表达(ALP、Runx2和OCN)并且诱导矿化发生^[25]。体内实验表明,NT-Ag.Sr通过促进受损皮质骨的修复和增加骨小梁的微结构来加速骨缺损的修复。Bianchi等采用脉冲电子沉积技术在聚醚醚酮(PEEK)基片上制备锶掺杂磷酸钙涂层,较纯PEEK,表面改性材料的粗糙度和润湿性显著提高,而对提高PEEK植入物的体内骨固定效果还有待进一步研究^[60]。2019年Wang等通过水热法将多孔PEEK与锶结合,同时采用多聚多巴胺辅助沉积法将脂联素(APN)蛋白膜沉积在材料上^[61]。其中APN涂层用以调节锶的释放速率,介导细胞与材料的相互作用。体外实验表明,在锶与APN的协同调控下,MC3T3-E1的细胞增殖和分化得以显著促进。

3.5 其他掺锶多相复合材料

Müller等发现与无定形聚磷酸钙相比,无定形聚磷酸锶微粒(Sr-a-polyP-MP)显著促进ALP、BMP-2和矿化基因的表达。将Sr-a-polyP-MP包埋在聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)微球中,植入大鼠颅骨临界尺寸的骨缺损模型后,可加速骨缺损的愈合^[62]。Lin等制备了多孔锶替代的硅酸钙(SrCS)陶瓷支架,SrCS材料中的锶和硅离子协同刺激MSCs向成骨细胞分化,同时也促进了人脐静脉内皮细胞形成血管。体内实验亦表明,SrCS在骨质疏松颅骨临界骨缺损中显著促进了骨再生和血管生成^[36]。Li等开发了一种可吸收锶-半水硫酸钙(Sr-CaS)骨替代物,其具有良好的生物相容性^[63]。在体内大鼠骨缺损模型中,Sr-CaS组的骨密度和骨体积分数明显高于单纯CaS组,锶取代度为5%与10%的Sr-CaS组间没有显著差异,表明锶离子的掺杂增强了CaS的骨修复能力。Boda等研究合成了六铁氧体锶(SrFe₁₂O₁₉,SrFe)纳米颗粒,发现粒径30~100 nm范围内、剂量高达1000 μg/mL的SrFe对人骨髓间充质干细胞相对无细胞毒性。之后他们将SrFe与HA进行复合,发现与HA相比,SrHA-Fe复合材料的成骨标志基因(Runx2、ALP和OPN)显著上调 ^[64]。Wong等将锶掺杂羟基磷灰石(Sr-HA)掺入PEEK聚合物基体中,采用模压成型技术成功制备了复合材料Sr-HA/PEEK^[65]。该复合材料的弯曲模量和强度可比拟人皮质骨,通过对模拟体液中磷灰石形成的定性比较和MG-63介导的体外矿化定量测定,证明Sr-HA/PEEK复合材料具有比HA/PEEK更高的生物活性。

4 结论与展望

从2010至2020年间共有8200篇锶掺杂生物材料用于成骨研究的文章发表(数据来源:google scholar,检索:strontium、doped、material、bone, 检索时间:2020.05),而且文章数量也在逐年递增(图4)。这些研究为锶掺杂材料的产业化发展以及临床应用提供了宝贵的实践价值。结合部分文献中的体内实验结果,我们发现相比于纯材料,锶掺杂材料中更多的新生骨组织大部分分布在骨-材料界面以及材料周围^{[8,34,38,51,54,76]}。一方面,锶的引入加速了生物活性材料的降解, 从而为界面附近新生骨组织的生长提供了更多的空间。另一方面,锶掺杂显著提高了材料的骨整合效果,从材料释放出来的锶被植入材料周围的骨组织和细胞吸收,进而提高了植入材料周围的骨量,尤其是对骨质疏松骨的骨吸收有一定的抑制作用。然而从材料内部骨量的提升效果看,锶掺杂对于材料生物活性的提高效果欠佳。Webster等认为相比于生物材料的表面化学成分,成骨细胞的黏附可能更依赖于材料表面的物理形貌^[77]。因此为了进一步提高Sr掺杂材料的生物活性还需要对材料的表面形貌进行更深入的研究。

目前关于掺锶生物材料的研究主要集中在锶含量的调控以及多元素掺杂的多功能支架制备上,仍需要进一步的生物学实验以检测其安全性和成骨效果^[78⇓~80]。其中一个容易被忽视的问题是锶的释放量以及释放周期对成骨效果的影响。研究发现接受雷奈酸锶治疗后新形成的骨中,锶的含量具有强烈的剂量依赖性,并且治疗3年后,骨中锶含量达到平台期,此时再补充锶不会有效果^[12]。治疗结束后,新形成的骨中会再次发生锶和钙之间的离子取代,从而可以预见之后骨机械性能的下降。因此,针对掺锶涂层的研究还需要考虑锶的作用时长。此外,许多国内外学者对于锶在细胞及分子水平的作用机制做了相关研究,并提出了不同见解,但其具体的作用机制以及安全有效的用量仍未有定论,这些问题都制约着锶掺杂材料的应用。因此对于锶以及多种元素掺杂的兼具治疗功能的复合多功能材料,寻求不同元素负载量的平衡点至关重要。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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