骨關節(jié)炎是臨床上造成軟骨缺損的一種常見疾病。由于軟骨缺乏自我修復能力,導致軟骨修復存在巨大挑戰(zhàn)。此外,軟骨缺損通常累及軟骨下骨,進而造成骨-軟骨缺損。由于軟骨與軟骨下骨具有不同的生理學功能,傳統(tǒng)模式通常利用具有多層結構的生物活性材料仿生骨-軟骨的生理結構,但是存在層級結構不理想等問題。因此制備一種在生理學上同時滿足骨-軟骨缺損中骨-軟骨一體化修復的單相支架極具挑戰(zhàn)。此外,生物活性無機材料目前主要應用于骨骼、牙齒等硬組織的修復與再生,但是在軟骨的修復與再生方面還缺乏研究。為此,本論文將無機活性離子與生物陶瓷相結合,采用三維打印技術制備了具有骨-軟骨一體化修復作用的單相多孔生物活性陶瓷支架,進一步研究其體內(nèi)外成骨及軟骨相關生物學效應,并在此基礎上探究了從單一活性離子到多離子協(xié)同促進軟骨修復及保護關節(jié)炎軟骨細胞的作用機制,為無機材料用于骨-軟骨修復提供可行性依據(jù)。主要研究內(nèi)容和結果如下:1.基于錳(Mn)元素對維持骨與軟骨正常發(fā)育的積極作用,以及β-磷酸三鈣(β-TCP)良好的生物相容性,通過共沉淀法合成了Mn-TCP生物陶瓷粉體,并利用三維打印技術制備了Mn-TCP生物陶瓷支架。Mn元素的加入顯著降低了β-TCP生物陶瓷的晶相轉變溫度及晶胞參數(shù),三維打印Mn-TCP生物陶瓷支架相比于同種方法制備的β-TCP支架,具有更高的抗壓強度及更優(yōu)越的降解性能。體外研究發(fā)現(xiàn),Mn-TCP生物陶瓷粉體離子產(chǎn)物通過激活缺氧誘導因子(HIF)信號通路促進軟骨細胞的增殖和成熟,通過Mn離子和Ca離子協(xié)同作用誘導骨髓間充質干細胞增殖和成骨分化;并通過抑制關節(jié)炎環(huán)境下的軟骨細胞內(nèi)降解代謝活動保護軟骨細胞;同時體內(nèi)研究結果表明,Mn-TCP支架具有骨-軟骨一體化修復的雙向生物學功能特性。2.基于單一活性離子對骨-軟骨缺損修復的促進作用的研究,本章進一步通過多離子聯(lián)合作用對骨-軟骨缺損一體化修復的促進作用進行探究。結合鋰元素和硅酸鈣的成骨誘導作用,本研究首次通過溶凝膠法合成純晶相的硅酸鈣鋰(Li2Ca2Si2O7,LCS)生物陶瓷,并利用三維打印技術得到結構形貌均一的多孔LCS生物陶瓷支架。體外研究結果表明,LCS生物陶瓷粉體的離子產(chǎn)物對軟骨細胞的增殖和表型維持具有促進作用,對骨髓間充質干細胞的成骨分化起明顯的誘導作用。進一步研究表明,Li和Si離子通過共同作用激活軟骨細胞HIF信號通路,誘導軟骨的增殖及維持其表型;Li和Si離子通過共同抑制IHH信號通路及降低細胞內(nèi)降解代謝活動保護軟骨細胞。同時在兔膝關節(jié)骨-軟骨缺損模型中,LCS支架顯示骨和軟骨一體化修復的雙向生物學效應。LCS生物陶瓷支架是一種利用多種生物活性離子的共同作用治療骨關節(jié)炎造成的骨-軟骨缺損的智能策略。3.基于多離子對骨-軟骨缺損修復的共同作用的研究,為了更進一步探究多離子對骨-軟骨及其界面修復的積極作用,本研究利用固相法合成能持續(xù)釋放骨-軟骨有益元素鍶(Sr)和硅(Si)離子的硅磷酸鍶(Sr5(PO4)2Si O4,SPS)生物陶瓷,并通過三維打印方法制備結構均一,形貌高度可控的SPS生物陶瓷支架。體外研究結果顯示,SPS生物陶瓷離子產(chǎn)物具有促進軟骨細胞增殖及誘導軟骨特異性基因與蛋白的表達的作用。進一步研究顯示,Sr和Si離子通過協(xié)同作用激活軟骨細胞內(nèi)HIF信號通路,促進軟骨細胞增殖及維持其表型;在關節(jié)炎模型軟骨細胞中,Sr和Si離子通過激活軟骨細胞內(nèi)自噬作用和抑制IHH信號通路保護軟骨細胞免受降解。同時體內(nèi)研究結果表明,SPS支架具有顯著促進骨和軟骨及其界面一體化修復的生物學特性。綜上所述,本論文通過將活性離子結合到生物陶瓷體系中,對無機生物陶瓷材料促進骨-軟骨一體化修復進行探究,結合活性離子對骨-軟骨修復的有益作用及三維打印技術,有效構建大孔結構和形貌高度可控并具雙向生物學性能的生物陶瓷支架材料,得到的多孔生物陶瓷支架在骨-軟骨復雜組織一體化修復方面具有良好的促進作用,為無機材料在骨-軟骨缺損一體化修復,尤其軟骨修復領域的應用提供新的研究思路。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB321;R318.08
【部分圖文】：

圖 1.1 軟骨細胞在軟骨組織中分布及骨-軟骨界面構成示意圖[8]。Figure 1.1 Distribution of chondrocytes in cartilage tissue and composition of the interface becartilage and subchondral bone[8]..2 軟骨下骨軟骨下骨（Subchondral Bone）是位于軟骨下方的骨骼組織，具有承受來自軟負荷，緩沖機械負荷對關節(jié)震蕩，保持關節(jié)正常形態(tài)的作用[11-13]。同時，軟骨通過鈣磷等元素的不斷更新參與機體新陳代謝，支持軟骨再生，促進軟骨修復骨組織包含骨細胞（Bone Cell）和骨基質（Bone Matrix），與軟骨組織不同的下骨組織的骨基質又可分為有機質和無機質，其中有機質的大部分為骨膠原one Collagen），其余主要由蛋白多糖及其聚集體構成。軟骨基質中有機質占絕而軟骨下骨基質中則以無機質為主，其質量約為軟骨下骨的 60-70%，主要以石結晶和無定形的膠體磷酸鈣為主。

骨-軟骨復雜組織修復生物活性無機材料的制備及性能研究軟骨下骨之間，可以緩沖來自軟骨的應力；同時在軟骨鈣化。于軟骨和軟骨下骨及其界面的不同生理學結構和特要實現(xiàn)有效骨-軟骨一體化修復，不僅要求材料具有同時誘導新骨生成，并且刺激骨-軟骨界面修復，，在材料設計上，常規(guī)的軟骨或軟骨下骨單一體系此，對骨-軟骨組織修復材料體系的生物學功能有極

圖 1.3 基于組織工程策略的支架材料應用于骨-軟骨組織再生的基本模式[64]。Figure 1.3 Fundamental mode of tissue engineering scaffolds for osteochondral regeneration[64]骨-軟骨組織工程支架成功構建的標志有：組織相容性好，生物可降解，具有生物活性、相互連通的多孔結構以及與原生組織結構相匹配的力學性能[43, 65]。成功構建骨-軟骨組織工程支架必備的三要素是種子細胞，生長因子及支架材料。支架材料作為種子細胞和生長因子的載體，可將上述二者攜帶至缺損部位，同時支架材料還可以為新生組織提供支撐，是骨-軟骨組織工程支架的關鍵因素，也是目前研究熱點。種子細胞和生長因子來源于動物體，其使用涉及安全及倫理問題，還需漫長的探索及認證[66]。而來源于無機質的生物活性營養(yǎng)元素，來源廣泛，獲取方便，不涉及倫理問題，且微量的生物活性營養(yǎng)元素在軟骨和軟骨下骨組織代謝中起著重要的作用，因此備受關注，同時也為骨-軟骨組織工程材料的設計提供新思路。

本文編號：2823300