張潔 祝頌松 姜楠
口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院正頜及關(guān)節(jié)外科,成都610041
鈦及鈦合金因?yàn)槠鋬?yōu)良的性能和生物相容性而被普遍應(yīng)用于牙科領(lǐng)域[1]。然而,其表面特性常導(dǎo)致早期骨結(jié)合效果較差,并導(dǎo)致植入失敗[2]。因此研究人員探索了各種改變鈦表面結(jié)構(gòu)/化學(xué)的方法,以期改善其早期骨結(jié)合效果。目前植入體的表面改性策略主要集中在2個(gè)方面:化學(xué)改性和微幾何結(jié)構(gòu)的改性。其中最為常見的改性方法有:植入體表面涂層、酸蝕或者噴砂粗化處理、陽極氧化或微弧氧化處理以及生物蛋白修飾等。在各種表面改性方法中,磷酸酸蝕因能將對(duì)骨再生十分有利的磷元素引入植入體表面受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。研究[3-4]證實(shí),磷酸酸蝕對(duì)加速植入體的骨結(jié)合有著十分確切的生物學(xué)作用。微幾何結(jié)構(gòu)的改性也對(duì)植入體的生物活性有著十分重要的影響。從仿生學(xué)的角度出發(fā),因?yàn)樘烊还潜闶俏⒓{米共存的結(jié)構(gòu),因此這種結(jié)構(gòu)應(yīng)該對(duì)植入體表面的骨再生更為有利。因此,近年來越來越多的研究[5-6]致力于構(gòu)建植入體表面的仿生形貌,并且大都取得了令人滿意的效果。但遺憾的是,利用磷酸酸蝕的方法在植入體表面構(gòu)建梯度仿生形貌至今少有文獻(xiàn)報(bào)道,其相關(guān)的生物學(xué)作用、生物學(xué)機(jī)制更是值得探究。
本研究利用特殊壓強(qiáng)下堿熱磷酸反應(yīng)法在純鈦植入體表面制備微納米共存的具備晶體相“磷”的仿生結(jié)構(gòu),成功地將對(duì)成骨有利的磷元素引入植入體表面,提高了植入體的表面能,最為重要的是該表面改性具有微納米共存的仿生結(jié)構(gòu),初步探究了該表面改性涂層對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)增殖、黏附以及骨向分化潛能的影響,進(jìn)而探究其對(duì)植入體骨結(jié)合的作用。
1.1.1 表面涂層制備 將一塊鈦板(純度99.99%,中國寶雞鈦工業(yè)有限公司)加工成直徑5 mm、厚1 mm的圓片狀(用于細(xì)胞實(shí)驗(yàn))和直徑1.5 mm、長(zhǎng)10 mm的柱狀(用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn))。所有鈦樣品分別使用800、1 200和2 000粒度的SiC砂紙拋光成鏡面,隨后分別在丙酮、乙醇和蒸餾水中超聲蕩洗30 min,在真空冷凍干燥機(jī)中干燥。
將材料分成2組。第1組材料表面不做任何處理(未處理鈦,cp-Ti),直接備用。第2組材料進(jìn)行仿生磷酸化表面改性處理,利用特殊壓強(qiáng)下堿熱磷酸反應(yīng)法在純鈦表面制備出微納米共存的磷酸化涂層,即鈦磷鈦(TiP-Ti)。方法為:將樣品置于2%HPO4和14%H2O2配制的磷酸水溶液中(共200 mL),然后放入襯有特氟龍膜(teflon)的高壓釜,在0.15 MPa、120℃下進(jìn)行水熱反應(yīng)24 h,獲得磷酸化改性形貌。室溫下,2組鈦片經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化清洗、鈍化,等離子滅菌備用。
1.1.2 鈦片的檢測(cè) 1)表面形貌觀察:使用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察所有樣品的微觀結(jié)構(gòu)。2)表面元素分析:X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析涂層晶相結(jié)構(gòu)。3)涂層厚度及粗糙度:使用原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)觀察涂層表面厚度及結(jié)構(gòu)。4)表面能檢測(cè):通過靜態(tài)水接觸角實(shí)驗(yàn)檢測(cè)植入材料表面的表面能,使用接觸角測(cè)角儀(TL101,Biolin Scientific AB)分析涂層表面自由能和濕潤性。5)涂層與鈦基底的結(jié)合強(qiáng)度:通過自動(dòng)劃痕儀檢測(cè)不同植入材料表面涂層的結(jié)合強(qiáng)度。
1.2.1 細(xì)胞培養(yǎng) 按照四川大學(xué)口腔疾病國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物研究委員會(huì)建立的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)胞分離和培養(yǎng)。取1周齡雄性Sprague-Dawley大鼠的股骨收集BMSCs,將2~4代的細(xì)胞用于實(shí)驗(yàn)。
1.2.2 細(xì)胞形態(tài)與黏附 細(xì)胞孵育2 h后,PBS洗3次,隨后用2.5%戊二醛固定。部分樣本用乙醇溶液梯度脫水(20%,40%,60%,80%,90%和100%),噴金,SEM觀察細(xì)胞早期黏附形態(tài)。其余樣本的細(xì)胞用0.2%Triton X-100透膜15 min后,利用羅丹明-鬼筆環(huán)肽標(biāo)記F-肌動(dòng)蛋白(F-actin)以顯示細(xì)胞骨架形態(tài),室溫孵育30 min,含4',6-二脒基-2-苯基吲哚(4',6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)抗熒光萃滅劑封片。采用SEM和共聚焦掃描電子顯微鏡(confocal laser scanning microscope,CLSM)觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)和形態(tài)。
1.2.3 細(xì)胞增殖能力 在24孔培養(yǎng)板中培養(yǎng)滅菌的鈦片,培養(yǎng)1、3、5、7、9 d后,使用甲基噻唑基四唑(methyl thiazolyl tetrazolium,MTT)檢測(cè)細(xì)胞活力。
1.2.4 細(xì)胞分化 堿性磷酸酶(alkaline phospha‐tase,ALP)活性測(cè)定用于檢測(cè)不同樣品上的細(xì)胞分化情況。每孔接種5×104個(gè)細(xì)胞,隨后在Ti樣品上孵育1、3、7 d。4%多聚甲醛固定,ALP試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)有限公司)染色并測(cè)量其在405 nm處的吸光度值,以確定ALP活性。
1.2.5 實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)分析(quantita‐tive real-time polymerase chain reaction analysis,qRT-PCR)分別收集與Ti片孵育24、48 h的細(xì)胞用于qRT-PCR以評(píng)估BMSCs細(xì)胞黏附及成骨相關(guān)基因表達(dá)。檢測(cè)整合素β1(integrinβ1)、黏著斑蛋白(Vinculin)、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子-2(Runt-re‐lated transcription factor-2,Runx-2)、Ⅰ型 膠 原(collagen typeⅠ,Col-1)、骨橋蛋白(osteopntin,OPN)和骨鈣素(osteocalcin,OCN)相關(guān)mRNA的表達(dá)。GAPDH作為對(duì)照。
1.3.1 植入手術(shù) 將12只雌性SD大鼠(3個(gè)月大,體重210~230 g)隨機(jī)分為A、B組。在其雙側(cè)脛骨的近干骺端分別植入cp-Ti與TiP-Ti,縫合,術(shù)后3 d給予動(dòng)物肌肉注射抗生素和鎮(zhèn)痛藥。
1.3.2 micro-CT檢測(cè) 術(shù)后12周,處死A組大鼠(n=6),取雙側(cè)股骨、脛骨。將樣本置于micro-CT系統(tǒng)檢測(cè)管內(nèi),通過高分辨率μ-CT掃描儀系統(tǒng)(μ-CT 50,Scanco Medical公司,瑞士)進(jìn)行分析。VOI被定義為植入物周圍的骨部分,選取種植體周圍250μm范圍的環(huán)形區(qū)域?yàn)楦信d趣區(qū)域。檢驗(yàn)參數(shù)包括:1)骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV);2)骨與植入物的接觸百分比(骨結(jié)合百分比,%OI);3)骨小梁數(shù)量(Tb.N);4)平均骨小梁間隙(Tb.Sp)。
1.3.3 組織學(xué)分析 術(shù)后12周,處死B組大鼠(n=6),取雙側(cè)股骨、脛骨進(jìn)行未脫鈣處理。使用Lei‐ca DM-RBE顯微鏡(Leica公司,德國)在生長(zhǎng)板下方約1 mm的切片上進(jìn)行組織學(xué)評(píng)價(jià)。分析內(nèi)容如下。1)骨面積比:整個(gè)組織區(qū)域(從植入物表面延伸250μm的環(huán)形區(qū)域)內(nèi)成熟骨的百分比。2)骨骼與植入物之間的接觸:與植入物界面直接接觸的礦化骨骼的線性百分比。
1.3.4 生物力學(xué)測(cè)試 對(duì)μ-CT掃描的樣品(n=6)進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試,以確定極限剪切強(qiáng)度和最大推出力。使用生物力學(xué)測(cè)試設(shè)備(BSC30,銀博科學(xué)設(shè)備有限公司)以1 mm·min-1的速度檢測(cè)極限剪切強(qiáng)度(N·mm-2)和最大推出力(N)。
采用SPSS 16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所有數(shù)值以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示,數(shù)據(jù)分析采用單因素方差分析及Bonferroni檢驗(yàn)。
2.1.1 表面形貌 SEM(圖1)顯示:cp-Ti組表面相對(duì)光滑,呈淺凹坑狀;TiP-Ti組表面呈草樣結(jié)構(gòu),其中短纖維束隨機(jī)排列形成多孔結(jié)構(gòu)。
圖1 2組表面形貌 SEMFig 1 The surface morphology of 2 groups SEM
2.1.2 表面厚度及表面粗糙度 掃描區(qū)域?yàn)?.0μm×5.0μm時(shí),各組鈦片的AFM結(jié)果見圖2、表1。cp-Ti組鈦片表面平坦,光滑;TiP-Ti組鈦片表面呈現(xiàn)明顯的類山峰狀,粗糙度為58.65 nm,在納米尺寸上規(guī)律排列,提示樣品表面為納米級(jí)形態(tài)。結(jié)合圖1,TiP-Ti表面呈現(xiàn)為納米級(jí)的3D空間結(jié)構(gòu)與微米級(jí)孔隙共存的仿生結(jié)構(gòu)。
表1 2組種植體表面粗糙度指標(biāo)比較Tab 1 The comparation of surface roughness of 2 groups
2.1.3 表面元素分析 采用XRD對(duì)植入材料表面的物相組成進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果見圖3。TiP-Ti組表面探測(cè)到典型的Ti特征峰,同時(shí)具有新的衍射峰Ti(HPO4)2·0.5 H2O和Ti3O5峰2種物相,證實(shí)磷元素成功摻入TiP-Ti表面。
圖3 TiP-Ti組XRD分析Fig 3 The results of XRD of TiP-Ti group
2.1.4 表面能檢測(cè) 靜態(tài)水接觸角實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)表明,cp-Ti和TiP-Ti組表面靜態(tài)水接觸角(con‐tact angle,CA)分別為79°±5.3°和7°±2.6°(P<0.05)。Ti P-Ti表面CA值較低,表明其具有較好的潤濕性,這可能有利于蛋白質(zhì)黏附。
圖4 2組CA實(shí)驗(yàn)Fig 4 CAexperiment of 2 groups
2.1.5 涂層與鈦基底結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè) TiP-Ti組涂層與鈦基底結(jié)合強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果見圖5。定量分析結(jié)果用涂層首次開裂(Lc1)和完全剝脫(Lc2)時(shí)的力的值表示,結(jié)果顯示TiP-Ti組與鈦基底結(jié)合強(qiáng)度良好,這有利于涂層表面改性在體內(nèi)發(fā)揮生物學(xué)作用。
圖5 TiP-Ti組劃痕實(shí)驗(yàn)后材料表面SEM及定量分析Fig 5 SEM and quantitative analysis of the surface of the material after scratch experiment of Ti P-Ti group
2.2.1 細(xì)胞黏附能力 孵育2 h后,BMSCs在種植體表面上的黏附結(jié)果見圖6。cp-Ti組可見少量分散的呈球狀細(xì)胞,且有絲足結(jié)構(gòu)。TiP-Ti組可見BMSCs分布更廣,細(xì)胞呈現(xiàn)橢圓形,細(xì)胞伸展較好,并伴有更清晰的細(xì)胞骨架(圖6A),且有明顯連接的偽足結(jié)構(gòu)。黏附相關(guān)mRNA表達(dá)結(jié)果(圖6B)顯示,在TiP-Ti組材料表面,細(xì)胞黏附相關(guān)的蛋白表達(dá)量相對(duì)較多。這表明,BMSCs在TiPTi表面具有更好的黏附。
圖6 2組材料表面BMSCs的黏附情況Fig 6 Adhesion of BMSCs on the surface of 2 groups
2.2.2 細(xì)胞增殖 MTT結(jié)果(圖7)表明,與cp-Ti組相比,TiP-Ti組細(xì)胞活力增加(除第1天外,P<0.05)。這表明,BMSCs在TiP-Ti表面具有更好的增殖能力。
圖7 2組MTT結(jié)果Fig 7 MTT assay of 2 groups
2.2.3 細(xì)胞分化 ALP活性測(cè)定結(jié)果(圖8)顯示,TiP-Ti組細(xì)胞ALP活性高于cp-Ti組(P<0.05)。qRT-PCR檢測(cè)(圖9)顯示,TiP-Ti組Runx-2、Col-1、OPN、OCN mRNA表達(dá)水平均高于cp-Ti組(P<0.05)。這表明,BMSCs在TiP-Ti表面表現(xiàn)出更好的成骨向分化。
圖8 2組ALP檢測(cè)結(jié)果Fig 8 The ALP results of 2 groups
圖9 2組BMSCs成骨向分化相關(guān)基因的相對(duì)表達(dá)情況Fig 9 mRNA expression levels of Col-1,Runx-2,OPN,and OCN,detected by qRT-PCR of 2 groups
術(shù)后12周,大鼠創(chuàng)面均已實(shí)現(xiàn)愈合,Ti植入物均在骨內(nèi)保持良好位置。
2.3.1 Micro-CT及組織學(xué)分析 Micro-CT檢測(cè)結(jié)果(圖10)表明,與cp-Ti組相比,TiP-Ti組BV/TV、%OI、Tb.N增加(P<0.05),Tb.sp降低(P<0.05)。形態(tài)計(jì)量學(xué)(圖11)表明,TiP-Ti組骨面積比、骨骼與植入物之間的接觸均高于cp-Ti組,表現(xiàn)出骨愈合效果。這表明,TiP-Ti誘導(dǎo)了與宿主組織的更牢固的界面結(jié)合。
圖10 2組micro-CT檢測(cè)結(jié)果Fig 10 The results of micro-CT of 2 groups
圖11 2組組織學(xué)分析Fig 11 Histological analysis of 2 groups
2.3.2 生物力學(xué)檢測(cè) 生物力學(xué)測(cè)試結(jié)果(表2)表明,TiP-Ti組種植體顯示出更強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性(P<0.05)。TiP-Ti組剪切強(qiáng)度超過20 N·mm-2,是cp-Ti的2倍多;最大推出力為182.7 N,是cp-Ti的5倍多。
表2 2組生物力學(xué)測(cè)試結(jié)果比較Tab 2 Comparison of biomechanical test results of 2 groups
本研究利用特殊壓強(qiáng)下堿熱磷酸反應(yīng)法(0.15 MPa,120℃)成功地在純鈦植入體表面制備了微納米共存的具備晶體相“磷”的表面仿生結(jié)構(gòu)(TiP-Ti)。有部分學(xué)者探究了種植體表面3D結(jié)構(gòu)改性的方法,試圖改善種植體骨結(jié)合能力。Sul[7]通過電化學(xué)微弧氧化,成功地將P陰離子摻入到了TiO2涂層(孔徑1.3~1.5μm)中,并且報(bào)道了該結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的骨結(jié)合效果,但是未提到體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)。Park等[8-9]采用堿熱反應(yīng)處理鈦氧化物表面,獲得了具有微米級(jí)的粗糙形貌,該形貌具有較強(qiáng)的MC3T4-E1細(xì)胞附著力、活力和成骨細(xì)胞基因表達(dá)。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)0.15 MPa、120℃特殊溫度壓強(qiáng)下處理獲得了具有晶體相“磷”的微/納米級(jí)共存的仿生混合涂層。XRD結(jié)果顯示,TiP-Ti表面化學(xué)元素主要以Ti(HPO4)2·0.5H2O/Ti3O5晶體相存在。制備該涂層過程中,采用了較低濃度的H3PO4及較高濃度的H2O2,因此溶解的Ti4+與更豐富的H2O2反應(yīng)形成穩(wěn)定的Ti2O3,與TiO2進(jìn)一步反應(yīng)形成Ti3O5[10],Ti3O5與磷酸根或磷酸氫根離子之間的進(jìn)一步相互作用形成Ti(HPO4)2·0.5H2O/Ti3O5化合物[11]。這也意味著摻入的P元素呈現(xiàn)高度結(jié)晶態(tài)。
SEM觀察表明,TiP-Ti涂層表面形態(tài)呈規(guī)律排列的微米結(jié)構(gòu),其中短纖維束隨機(jī)排列形成多孔結(jié)構(gòu)。AFM觀察到的規(guī)律排列納米級(jí)結(jié)構(gòu),可以證實(shí)該涂層為納米級(jí)的3D空間結(jié)構(gòu)與微米級(jí)孔隙共存的仿生結(jié)構(gòu)。生物材料的表面潤濕性在蛋白質(zhì)吸附中起著重要作用,進(jìn)而對(duì)細(xì)胞的黏附和增殖產(chǎn)生顯著影響[12]。通過靜態(tài)水接觸角實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)植入材料表面的表面能,結(jié)果表明,TiP-Ti表面CA值較低,表明其具有較好的潤濕性,這可能有利于蛋白的黏附。表面劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,涂層首次開裂和完全剝脫時(shí)的力分別為18.5 N和25.8 N,這與文獻(xiàn)[13]報(bào)道的涂層改性的表面結(jié)合強(qiáng)度結(jié)果相符,證實(shí)本研究涂層改性與鈦基底結(jié)合強(qiáng)度較好,這也為該植入體表面改性技術(shù)將來的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
本研究結(jié)果表明,TiP-Ti表面BMSCs的黏附、增殖與分化高于cp-Ti。在TiP-Ti表面的細(xì)胞表現(xiàn)出更明顯連接的偽足,這與其較高的F-actin表達(dá)一致。F-actin免疫熒光顯示,黏附在TiP-Ti上的細(xì)胞具有更強(qiáng)的熒光強(qiáng)度,顯示出更清晰的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)(圖6A)。細(xì)胞黏附情況與潤濕性檢測(cè)結(jié)果一致(圖4),即TiP-Ti>cp-Ti,證明了材料表面形態(tài)和潤濕性會(huì)直接影響到細(xì)胞黏附情況[14-16]。另外,qRT-PCR檢測(cè)黏附相關(guān)的mRNA結(jié)果證實(shí),TiP-Ti表面的細(xì)胞整合素β1和Vinculin表達(dá)較強(qiáng)。
細(xì)胞在鈦片表面培養(yǎng)1、3、5、7、9 d,TiPTi組細(xì)胞的增殖率明顯高于cp-Ti組(P<0.05),這與細(xì)胞在TiP-Ti表面具有良好的黏附形態(tài)一致。
間充質(zhì)干細(xì)胞沿成骨細(xì)胞譜系的分化是植入物骨結(jié)合的關(guān)鍵[17],且該過程受植入物材料表征的影響[9]。磷改性的Ti植入體可以促進(jìn)BMSCs的分化[9,18]。研究[19-20]顯示,與無定形狀態(tài)的磷酸鹽相比,結(jié)晶態(tài)磷酸鹽更有利于BMSCs的分化和骨沉積。然而到目前為止,尚未有研究比較過BM‐SCs在由Ti、Ti氧化物和Ti磷酸鹽組成的材料表面上的分化情況。由于植入物表面黏附的細(xì)胞通過激活的相關(guān)局部信號(hào)從而調(diào)控植入體周圍的破骨細(xì)胞的活動(dòng)和骨沉積,因此植入體的表面形貌對(duì)BMSCs的成骨向分化也有一定影響[21]。ALP活性測(cè)定結(jié)果顯示,TiP-Ti組ALP活性顯著高于cp-Ti組(P<0.05)。mRNA表達(dá)水平結(jié)果顯示,與cp-Ti組相比,TiP-Ti組中Col-1和Runx-2的表達(dá)水平顯著上調(diào),證實(shí)TiP-Ti對(duì)成骨早期階段有較強(qiáng)的促進(jìn)作用,這與早期的ALP分析、CLSM觀察結(jié)果相符。另一方面,OPN和OCN的mRNA表達(dá)水平也顯示,TiP-Ti組表現(xiàn)出較好的促進(jìn)細(xì)胞成骨向分化能力。
體外和體內(nèi)研究均顯示,TiP-Ti在細(xì)胞增殖、黏附、分化以及促進(jìn)植入物骨結(jié)合方面具有較佳的性能。這可能是由植入物表面化學(xué)作用(摻有結(jié)晶TiP的Ti氧化物)、微/納米級(jí)共存的仿生表面形態(tài)以及表面良好親水性的綜合作用所致。另外,在松質(zhì)骨中存在微米級(jí)的孔隙不僅提供了血液循環(huán)和營養(yǎng)供給的途徑,且與新生骨之間形成機(jī)械鎖嵌結(jié)構(gòu),有助于增強(qiáng)生物力學(xué)穩(wěn)定性[22]。多孔排列結(jié)構(gòu)可以在一定程度上促進(jìn)細(xì)胞黏附[23]。研究還證實(shí),微米/納米級(jí)共存結(jié)構(gòu)可以迅速激活局部免疫反應(yīng),刺激細(xì)胞跨膜蛋白的黏附和細(xì)胞的早期黏附[8,24],并促進(jìn)羥磷灰石的沉積和成骨細(xì)胞的增殖[25]。
綜上,本研究在Ti植入物表面制備了具有晶體相“磷”的微/納米級(jí)共存的仿生混合涂層,以增強(qiáng)其骨結(jié)合性能。此外,具有微/納米級(jí)共存的TiP-Ti在體外和體內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)良的促成骨性能。結(jié)果表明,本研究中生產(chǎn)的雜化涂層的表面化學(xué)組成及表面形貌均對(duì)細(xì)胞生物學(xué)行為具有明顯的影響,繼而影響植入物的骨結(jié)合及生物力學(xué)穩(wěn)定性,是一種具有應(yīng)用前景的植入體表面改性。
利益沖突聲明:作者聲明本文無利益沖突。