銅摻雜生物活性玻璃的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
發(fā)布時間：2021-02-22 21:08
生物活性玻璃作為一種既能與骨組織鍵合又能與軟組織連接的活性材料,可通過降解過程實現(xiàn)對活性離子的控制釋放,在臨床生物醫(yī)學(xué)方面得到長足發(fā)展.本文綜述了近年來合成的銅摻雜生物活性玻璃的基本特征,并對相關(guān)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行介紹,對研究中存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行深入剖析.其中,基本特征內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)及分類,具體細(xì)分為45S5型、1393型、70S型和1393 B3型等;生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)展內(nèi)容涵蓋抗菌、抗癌、骨/軟骨修復(fù)再生及血管生成.
【文章來源】：科學(xué)通報. 2020,65(36)北大核心
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
(網(wǎng)絡(luò)版彩色)橋接氧和非橋接氧結(jié)構(gòu)示意圖
在骨/軟骨的重建與再生過程中,除了關(guān)注材料與骨之間形成良好且牢固的化學(xué)鍵,還要防止定植所引發(fā)的細(xì)菌感染,減少抗生素的使用,避免二次手術(shù)的發(fā)生[6].大量研究表明,80%以上的微生物感染與生物膜系統(tǒng)的形成有密切關(guān)系[13],甚至出現(xiàn)持久的耐藥性.針對性地通過激活細(xì)胞密度依賴型機制-群體感應(yīng)、控制黏附機制和毒性因子的表達(dá)、添加特定的元素為材料提供抗菌特性、降低機體對材料的敏感性并限制感染,成為了生物活性玻璃研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié).銀是最常用的抗菌劑[31],鋅等[32]無機元素也能夠?qū)莶菅挎邨U菌和銅綠假單胞菌菌株產(chǎn)生良好的抗菌活性;而銅摻入生物活性玻璃結(jié)構(gòu)中較為容易,并可在溶解的過程中逐漸釋放出來,從而確保其作為抗菌成分的控制釋放,具備更優(yōu)異的長期抗菌性能.同時,降解過程中陽離子的釋放可引起局部p H升高[33],保證殺死細(xì)菌.Rau等人[13]利用銅離子的抗菌特性,向45S5型生物活性玻璃中添加5wt%Cu O,作為脈沖激光沉積目標(biāo)涂層材料(圖4),并對細(xì)胞行為進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)銅的存在能通過成骨細(xì)胞表型誘導(dǎo)人間充質(zhì)干細(xì)胞的早期分化,促進(jìn)抗炎性白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-10的表達(dá),抑制促炎性IL-1β表達(dá).抗菌研究表明,該材料對革蘭氏陰性細(xì)菌(銅綠假單胞菌、大腸桿菌和腸炎沙氏門菌)的抑制效果遠(yuǎn)大于革蘭氏陽性細(xì)菌(金黃色葡萄球菌).Bari等人[34]利用銅摻雜的生物活性玻璃納米顆粒加速生物膜分散,干擾生物膜形成,有效抑制細(xì)菌生長.傳統(tǒng)溶膠-凝膠法可摻入高達(dá)10mol%的銅,Miola和Verné[35]首次在水溶液中利用離子交換技術(shù)將不同銅源(硝酸銅、氯化銅、醋酸銅和硫酸銅等)更大程度地引入硅基生物活性玻璃外層,顯示出良好的金黃色葡萄球菌抑制效果,后續(xù)可進(jìn)一步探究刺激血管生成性能,實現(xiàn)抗菌與成血管的結(jié)合.圖4 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)銅摻雜生物活性玻璃作為脈沖激光沉積目標(biāo)涂層材料過程示意圖(a)、花椰菜形磷灰石掃描電子顯微鏡(SEM)圖(b)及抗菌效果對比圖(c)[13]
血管生成對于骨骼形成和生長來說必不可少,并且在骨缺損修復(fù)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用.細(xì)胞增殖取決于氧氣和營養(yǎng)成分的供應(yīng),血管可將這些物質(zhì)輸送到所需部位,盡管已有相關(guān)研究證實了血管生成因子添加至植入物策略的可行性,但仍存在成本高以及超生理劑量使用所帶來的潛在安全風(fēng)險等不足.大量研究表明,生物活性玻璃可通過低氧壓途徑,即穩(wěn)定HIF-1α的表達(dá),刺激血管生成[44].血管化是組織再生過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在有效治療濃度范圍內(nèi)的銅離子可作為新型低氧模擬材料,進(jìn)入硅酸鹽網(wǎng)絡(luò),從而誘導(dǎo)血管生成.銅離子在組織血管化的形成中發(fā)揮重要作用,能夠刺激內(nèi)皮細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞的分化,在生物活性玻璃材料中摻入銅,可以通過增加VEGF和轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β的表達(dá)改善基質(zhì)上毛細(xì)血管樣內(nèi)皮細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的作用(圖5)[45].Rath等人[46]用骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞和人皮膚微血管內(nèi)皮細(xì)胞共同測試了銅摻雜生物活性玻璃衍生支架,觀測到VEGF表達(dá)增加,且這種支架對間充質(zhì)干細(xì)胞沒有毒性,證明了銅離子在組織血管形成40 h內(nèi)即可達(dá)到有效濃度,并能夠穩(wěn)定持續(xù)4周,自發(fā)改善新骨形成過程中血管的生成.Lin等人[47]研究了從1393型生物活性玻璃支架中釋放銅離子對血管生成的影響,當(dāng)體外浸入SBF中時,銅摻雜支架以劑量依賴性方式將銅離子釋放到介質(zhì)中,滲透到支架內(nèi)的纖維組織中的新血管面積隨著玻璃中Cu O含量的增加而增加.2.5 其他
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Effects of Cu2+ and pH on osteoclastic bone resorption in vitro[J]. ZHANG Jinchao, HUANG Jian, XU Shanjin , WANG Kui and YU Shifeng(1 . Department of Chemical Biology, School of Pharmaceutical Sciences, Peking University, Beijing 100083, China; 2. Department of Oral Pathology, Stomatological Hospital, Peking University, Beijing 100081, China). Progress in Natural Science. 2003(04)
本文編號：3046563
【文章來源】：科學(xué)通報. 2020,65(36)北大核心
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
(網(wǎng)絡(luò)版彩色)橋接氧和非橋接氧結(jié)構(gòu)示意圖
在骨/軟骨的重建與再生過程中,除了關(guān)注材料與骨之間形成良好且牢固的化學(xué)鍵,還要防止定植所引發(fā)的細(xì)菌感染,減少抗生素的使用,避免二次手術(shù)的發(fā)生[6].大量研究表明,80%以上的微生物感染與生物膜系統(tǒng)的形成有密切關(guān)系[13],甚至出現(xiàn)持久的耐藥性.針對性地通過激活細(xì)胞密度依賴型機制-群體感應(yīng)、控制黏附機制和毒性因子的表達(dá)、添加特定的元素為材料提供抗菌特性、降低機體對材料的敏感性并限制感染,成為了生物活性玻璃研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié).銀是最常用的抗菌劑[31],鋅等[32]無機元素也能夠?qū)莶菅挎邨U菌和銅綠假單胞菌菌株產(chǎn)生良好的抗菌活性;而銅摻入生物活性玻璃結(jié)構(gòu)中較為容易,并可在溶解的過程中逐漸釋放出來,從而確保其作為抗菌成分的控制釋放,具備更優(yōu)異的長期抗菌性能.同時,降解過程中陽離子的釋放可引起局部p H升高[33],保證殺死細(xì)菌.Rau等人[13]利用銅離子的抗菌特性,向45S5型生物活性玻璃中添加5wt%Cu O,作為脈沖激光沉積目標(biāo)涂層材料(圖4),并對細(xì)胞行為進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)銅的存在能通過成骨細(xì)胞表型誘導(dǎo)人間充質(zhì)干細(xì)胞的早期分化,促進(jìn)抗炎性白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-10的表達(dá),抑制促炎性IL-1β表達(dá).抗菌研究表明,該材料對革蘭氏陰性細(xì)菌(銅綠假單胞菌、大腸桿菌和腸炎沙氏門菌)的抑制效果遠(yuǎn)大于革蘭氏陽性細(xì)菌(金黃色葡萄球菌).Bari等人[34]利用銅摻雜的生物活性玻璃納米顆粒加速生物膜分散,干擾生物膜形成,有效抑制細(xì)菌生長.傳統(tǒng)溶膠-凝膠法可摻入高達(dá)10mol%的銅,Miola和Verné[35]首次在水溶液中利用離子交換技術(shù)將不同銅源(硝酸銅、氯化銅、醋酸銅和硫酸銅等)更大程度地引入硅基生物活性玻璃外層,顯示出良好的金黃色葡萄球菌抑制效果,后續(xù)可進(jìn)一步探究刺激血管生成性能,實現(xiàn)抗菌與成血管的結(jié)合.圖4 (網(wǎng)絡(luò)版彩色)銅摻雜生物活性玻璃作為脈沖激光沉積目標(biāo)涂層材料過程示意圖(a)、花椰菜形磷灰石掃描電子顯微鏡(SEM)圖(b)及抗菌效果對比圖(c)[13]
血管生成對于骨骼形成和生長來說必不可少,并且在骨缺損修復(fù)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用.細(xì)胞增殖取決于氧氣和營養(yǎng)成分的供應(yīng),血管可將這些物質(zhì)輸送到所需部位,盡管已有相關(guān)研究證實了血管生成因子添加至植入物策略的可行性,但仍存在成本高以及超生理劑量使用所帶來的潛在安全風(fēng)險等不足.大量研究表明,生物活性玻璃可通過低氧壓途徑,即穩(wěn)定HIF-1α的表達(dá),刺激血管生成[44].血管化是組織再生過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在有效治療濃度范圍內(nèi)的銅離子可作為新型低氧模擬材料,進(jìn)入硅酸鹽網(wǎng)絡(luò),從而誘導(dǎo)血管生成.銅離子在組織血管化的形成中發(fā)揮重要作用,能夠刺激內(nèi)皮細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞的分化,在生物活性玻璃材料中摻入銅,可以通過增加VEGF和轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β的表達(dá)改善基質(zhì)上毛細(xì)血管樣內(nèi)皮細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的作用(圖5)[45].Rath等人[46]用骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞和人皮膚微血管內(nèi)皮細(xì)胞共同測試了銅摻雜生物活性玻璃衍生支架,觀測到VEGF表達(dá)增加,且這種支架對間充質(zhì)干細(xì)胞沒有毒性,證明了銅離子在組織血管形成40 h內(nèi)即可達(dá)到有效濃度,并能夠穩(wěn)定持續(xù)4周,自發(fā)改善新骨形成過程中血管的生成.Lin等人[47]研究了從1393型生物活性玻璃支架中釋放銅離子對血管生成的影響,當(dāng)體外浸入SBF中時,銅摻雜支架以劑量依賴性方式將銅離子釋放到介質(zhì)中,滲透到支架內(nèi)的纖維組織中的新血管面積隨著玻璃中Cu O含量的增加而增加.2.5 其他
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Effects of Cu2+ and pH on osteoclastic bone resorption in vitro[J]. ZHANG Jinchao, HUANG Jian, XU Shanjin , WANG Kui and YU Shifeng(1 . Department of Chemical Biology, School of Pharmaceutical Sciences, Peking University, Beijing 100083, China; 2. Department of Oral Pathology, Stomatological Hospital, Peking University, Beijing 100081, China). Progress in Natural Science. 2003(04)
本文編號：3046563
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