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一種調控免疫，成血管和成骨修復臨界骨缺損的可注射骨水泥

健康知識養生常識

由創傷、感染、腫瘤和骨質疏松引起的臨界骨缺損治療仍是難題 。 外科手術通常將骨替代材料植入骨缺損區域 ， 起到填充和修復的作用 。 該手術的成功在很大程度上依賴于可注射生物材料 。 植入生物材料激活由巨噬細胞組成的免疫反應對成骨產生重要影響 ， 生物活性材料通過促進巨噬細胞向M2型（抗炎型）極化而表現出成骨特性 。 血管生成是成骨過程中的一個必要步驟 ， 新生血管提供的氧氣和營養物質 ， 有利于隨后新骨的形成 。 因此 ， 開發一種具有調控免疫、成血管和成骨的可注射骨水泥是十分必要的 。
近期 ， 中國科學院深圳先進技術研究院醫藥所人體組織與器官退行性研究中心潘浩波團隊制備了一種具有調控免疫 ， 成血管和成骨功能的可注射骨水泥 ， 相關研究以“SpontaneousimmunomodulationandregulationofangiogenesisandosteogenesisbySr/Cu-borosilicateglass(BSG)bonecementtorepaircriticalbonedefects”為題發表在“BioactiveMaterials”雜志上 。
一種調控免疫，成血管和成骨修復臨界骨缺損的可注射骨水泥
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本研究制備一種新型具備適度促進巨噬細胞由M1型向M2型極化 ， 增強骨缺損區域血管化和誘導新骨生成功能的骨水泥 。 這種骨水泥的物理化學性質滿足可注射骨水泥的應用要求 ， 并且通過調控免疫 ， 成血管和成骨來修復兔股骨髁臨界骨缺損（直徑6mm圓柱形骨缺損） 。 設計思路：Cu和Sr離子已被發現具有抗炎、促進血管生成和成骨生成的功能 ， 制備含Sr、Cu元素硼硅酸鹽生物活性玻璃（Sr/Cu-Borosilicatebioactiveglass,Sr/Cu-BSG）作為骨水泥的固相 ， 含殼聚糖、檸檬酸和葡萄糖的溶液為骨水泥液相 。 Sr/Cu-BSG骨水泥具有良好的可注射性 ， 合理的固化時間 ， 適宜的機械強度 ， 以及調控免疫 ， 成血管和成骨的能力 。
一種調控免疫，成血管和成骨修復臨界骨缺損的可注射骨水泥
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圖1Sr/Cu-BSG骨水泥固化機制和生物活性
分析pH檢測和FTIR（傅里葉變換紅外）光譜圖像 ， Sr/Cu-BSG骨水泥的固化機制主要包含以下三個相互協同的過程：1.Sr/Cu-BSG骨水泥固相與液相混合后 ， 液相酸堿環境由酸性變為堿性 ， 促進了液相中殼聚糖的溶膠-凝膠轉化 ， 使骨水泥顆粒具有初始固化強度；2.Sr/Cu-BSG骨水泥中析出的鈣離子在骨水泥液相中與磷酸鹽反應生成羥基磷灰石并形成緊密連接；3.高化學反應活性的硼硅酸鹽生物活性玻璃和殼聚糖之間形成化學螯合 。 其中后兩個過程使Sr/Cu-BSG骨水泥在固化后期具有良好的力學性能 。 Sr/Cu-BSG骨水泥在PBS溶液中浸泡7、14和21天后的XRD和FTIR光譜圖像表明 ， Sr/Cu-BSG骨水泥在PBS溶液中浸泡后的反應產物為羥基磷灰石 ， 而且產生羥基磷灰石的量隨著浸泡時間延長而增加 。
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圖2Sr/Cu-BSG骨水泥體外免疫調控和成血管性能
流式檢測結果表明Sr/Cu-BSG骨水泥誘導Raw264.7向M2型極化 ， qRT-PCR結果表明Sr/Cu-BSG骨水泥顯著下調Raw264.7促炎相關基因（IL-1β和IL-6）表達水平 ， 并且上調抗炎相關基因（IL-1Ra和TGF-β）表達水平 。 人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）血管形成試驗-鈣黃綠素染色顯示：Sr/Cu-BSG骨水泥組有不同程度的新生血管形成（綠色熒光） ， 其中以5Sr3Cu組和0Sr3Cu組新生血管較多且密集 。 qRT-PCR結果表明Sr/Cu-BSG骨水泥可顯著上調HUVECs成血管相關基因VEGF、bFGF、VEGFR1和VEGFR2表達水平 。
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圖3Sr/Cu-BSG骨水泥體外生物相容性和成骨性能
細胞增殖、活死和骨架染色實驗結果表明 ， 鍶Sr/Cu-BSG骨水泥浸提液未對人骨髓間充質干細胞（hBMSCs）增殖、活性和形態產生不利影響 ， 表明Sr/Cu-BSG骨水泥在體外具有良好的生物相容性 。 堿性磷酸酶染色和活性實驗結果表明Sr/Cu-BSG骨水泥促進了hBMSCs成骨分化 。 qRT-PCR結果表明Sr/Cu-BSG骨水泥可顯著上調hBMSCs成骨相關基因Runx-2、OCN和OPN表達水平 。