微量摻鍶材料在骨修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

穆君宇 侯 沙 彭 雨 蘭 梁 程麗佳

鍶(strontium，Sr)不僅是骨骼和牙齒的正常成分，也是人體必需的微量元素，參與人體生理生化反應(yīng)[1]。體內(nèi)外研究表明，鍶可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的形成，刺激骨發(fā)育和生長(zhǎng)[2]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，Sr可通過(guò)激活多個(gè)干細(xì)胞成骨相關(guān)信號(hào)通路(如BMP/Smad、MAPK、Akt/β-catenin、Wnt信號(hào)通路)使材料在促進(jìn)骨缺損修復(fù)方面發(fā)揮更好的作用[3,4]。因此，本文就目前的摻鍶復(fù)合支架及其機(jī)制做一綜述。

一、機(jī) 制

1.鍶在巨噬細(xì)胞中的成骨效應(yīng)：骨的愈合是機(jī)體精密調(diào)控的結(jié)果，包括炎癥、免疫調(diào)節(jié)、血管的生成、骨組織的增殖分化和生物礦化。早期時(shí)盡早緩解急性炎性反應(yīng)和創(chuàng)造良好的局部免疫環(huán)境將有利于后期的成骨。因此，巨噬細(xì)胞及其相關(guān)免疫應(yīng)答在成骨的過(guò)程中起著非常重要的作用。巨噬細(xì)胞可分M1型和M2型。既往研究認(rèn)為，M1型的巨噬細(xì)胞會(huì)誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生長(zhǎng)。然而，近年來(lái)有研究證實(shí)，M1型在早期的血管生成和骨整合中也起著重要作用。Guihard等[5]研究發(fā)現(xiàn)，炎性M1型巨噬細(xì)胞可以通過(guò)抑瘤素M誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨。除了M1型巨噬細(xì)胞外，傳統(tǒng)的骨免疫學(xué)也表明M2型巨噬細(xì)胞與成骨密切相關(guān)，有研究發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)M2型極化的生物材料能促進(jìn)骨形成[6]。Lou等[7]研究發(fā)現(xiàn)，緩慢釋放的鍶可使M1型巨噬細(xì)胞極化為M2型巨噬細(xì)胞。M2型巨噬細(xì)胞通過(guò)分泌TGF-β和BMP2使成骨基因的表達(dá)上調(diào)，從而促進(jìn)新骨的形成。Xu等[8]研究發(fā)現(xiàn)，摻鍶材料的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明，鍶會(huì)使M1型巨噬細(xì)胞的極化受到抑制，而向M2型極化，對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化有積極作用。

2.鍶在干細(xì)胞中的成骨效應(yīng)：干細(xì)胞是一種能多向分化、有很強(qiáng)自我繁殖和更新能力的細(xì)胞。向其中加入微量元素鍶，來(lái)促進(jìn)干細(xì)胞分化成骨也早有報(bào)道[9]。鍶可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)干細(xì)胞遷移來(lái)啟動(dòng)再生能力，同時(shí)鍶能刺激成骨相關(guān)的表型標(biāo)志物，增加其表達(dá)從而促進(jìn)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞系分化增殖。除此以外，還有研究報(bào)道，鍶可通過(guò)激活MAPK和PI3K/Akt信號(hào)通路，促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和成骨分化[11,12]。這一過(guò)程受到不對(duì)稱(chēng)干細(xì)胞分裂(ACD)過(guò)程的精確調(diào)控。盡管鍶對(duì)成骨分化的促進(jìn)作用已被深入研究，但我們對(duì)其在調(diào)節(jié)ACD中的作用卻知之甚少，不對(duì)稱(chēng)干細(xì)胞分裂對(duì)于細(xì)胞多樣性的產(chǎn)生和組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持至關(guān)重要[9，10]。這些結(jié)果揭示了鍶引發(fā)的不對(duì)稱(chēng)細(xì)胞分裂在骨再生過(guò)程中維持成骨分化和骨干性之間平衡的重要性。

3.Wnt/β-catenin途徑：Wnt信號(hào)通路是配體蛋白Wnt和相應(yīng)的膜受體蛋白結(jié)合以后，激發(fā)多下游通道的一種信號(hào)途徑，β-catenin是可以調(diào)節(jié)基因表達(dá)的多功能蛋白質(zhì)。通過(guò)這個(gè)途徑，細(xì)胞外的信號(hào)會(huì)傳到胞內(nèi)。鍶可以激活細(xì)胞膜表面的Ca2+受體，通過(guò)CN-NFAT途徑增強(qiáng)WNT3a的表達(dá)，進(jìn)而激活典型的Wnt/β-catenin途徑。鍶還可以上調(diào)FZD受體家族Wnt5a和Ror2/Ryk共受體的表達(dá)，并通過(guò)非典型的Wnt途徑調(diào)節(jié)下游RhoA-、JNK-和Ca2+依賴(lài)的信號(hào)通路，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化[13]。

4.OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)：RANK是NF-κB受體激動(dòng)劑，RANKL是一種可以激活破骨細(xì)胞，促進(jìn)骨組織吸收的一種膜蛋白[14]。OPG是骨保護(hù)素，OPG在成骨細(xì)胞中的表達(dá)可阻斷RANK及其配體的相互作用，而鍶能通過(guò)調(diào)節(jié)OPG的表達(dá)來(lái)抑制破骨細(xì)胞[15]。Wang等[16]研究發(fā)現(xiàn)，鍶在抑制鈦顆粒誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的同時(shí)，還能調(diào)節(jié)RANKL和OPG的表達(dá)。

5.其他：除了以上所提及的相關(guān)機(jī)制外，有研究發(fā)現(xiàn)，鍶摻雜通過(guò)早期改善自噬和晚期激活A(yù)kt/mTOR信號(hào)通路。Zhang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在成骨分化的早期和晚期分別給予自噬抑制劑和Akt/mTOR通路抑制劑可顯著抑制干細(xì)胞的成骨分化作用。還有研究發(fā)現(xiàn)了Notch信號(hào)通路，該通路參與了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化過(guò)程[18]。除此以外，還有NFATc1信號(hào)通路、Hedgehog/膠質(zhì)瘤相關(guān)癌基因蛋白1通路、Smad通路、鈣敏感受體等。

二、摻鍶的復(fù)合材料

臨床上骨缺損通常合并骨質(zhì)疏松和關(guān)節(jié)炎等疾病，鍶已經(jīng)被證實(shí)有著優(yōu)異的促骨形成能力并能加速血管再生，還可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的生成以及軟骨再生。近年來(lái)，多項(xiàng)研究積極將鍶和傳統(tǒng)的一些生物材料進(jìn)行結(jié)合，多數(shù)結(jié)果顯示，鍶的摻入極高的提升了成骨能力并且有一定的抑菌效果。例如Zhang等[19]通過(guò)微弧氧化技術(shù)加入了鍶和銀，使得TiO2涂層有良好的抗菌活性和成骨能力。但未對(duì)具體機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)闡述，因此，還需要進(jìn)一步的研究以更好地闡明摻鍶生物材料在骨修復(fù)中的作用機(jī)制。

1.骨水泥：可注射骨水泥具有良好的生物相容性、生物靈感特性和微創(chuàng)釋放能力。骨水泥廣泛應(yīng)用于骨科和牙科手術(shù)。含鍶藥物在各種臨床環(huán)境中作為全身成骨細(xì)胞激活藥物，促進(jìn)骨質(zhì)疏松骨的機(jī)械穩(wěn)定性能夠適應(yīng)不同的骨缺損創(chuàng)面。Dai等[20]研究發(fā)現(xiàn)，鍶-羥基磷灰石水泥具有良好的生物相容性，對(duì)細(xì)胞增殖毒性低，并且對(duì)MC3T3細(xì)胞的成骨分化有一定的促進(jìn)作用。

除了直接摻入以外，Sun等[21]研制了一種新型鍶-磷酸鈣骨水泥。該摻鍶骨水泥表現(xiàn)出了優(yōu)異的細(xì)胞相容性和良好的抗壓能力。此外，多數(shù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋良好，在去卵巢的大鼠脛骨缺損(骨質(zhì)疏松模型)上，摻鍶鍶骨水泥在皮質(zhì)和周?chē)墓切×簠^(qū)域顯示出巨大的骨再生潛力，包括增加骨體積和密度，增加促骨蛋白的產(chǎn)生，增加成骨細(xì)胞的數(shù)量，減少破骨細(xì)胞性骨吸收的跡象[22]。摻鍶磷酸鈣骨水泥在大鼠顱骨缺損模型有明顯的新骨形成。在大鼠皮下植入模型中，骨水泥還顯示出皮下結(jié)締組織新生血管的增強(qiáng)作用[23]。

2.生物活性玻璃：生物活性玻璃(BGs)在骨修復(fù)支架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。BGs中可以摻雜不同的金屬離子，以引起特定的生物反應(yīng)賦予材料額外的功能特性。在這些離子中，鍶被認(rèn)為是一種有效且安全的摻雜元素，具有良好的骨形成和再生作用以及優(yōu)異的抗菌作用，因此被廣泛應(yīng)用于生物活性玻璃。Baheiraei等[24]研究發(fā)現(xiàn)，金屬Sr取代鈣離子后，摻鍶的生物活性玻璃支架的新生骨面積和成骨面積均大于未摻鍶的生物活性玻璃，并且對(duì)于金黃色葡萄球菌具有更顯著的抑菌效果。而Zhao等[25]研究發(fā)現(xiàn)，摻鍶濃度的不同顯著影響生物活性玻璃的效果，其中5%摻鍶生物活性玻璃支架具有較高的體外生物活性、細(xì)胞增殖和抗菌性能，具有明顯的促細(xì)胞增殖作用，且無(wú)細(xì)胞毒性。除了單獨(dú)將微量元素鍶摻入BGs中外，鍶由于其良好的體外生物活性和銀(Ag)共同摻入介孔生物活性玻璃顆粒(MBGNs)后，不僅對(duì)肉芽葡萄球菌和大腸桿菌均有較強(qiáng)的抑菌作用，而且合成的Ag-Sr MBGNs在模擬體液(SBF)中浸泡后形成類(lèi)磷灰石晶體，顯著提高其體外生物活性[26]。而在體外細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程之中，Borciani等[35]將富鍶介孔生物活性玻璃的Ⅰ型膠原與人骨小梁來(lái)源的成骨細(xì)胞和黃褐色涂層來(lái)源的成骨細(xì)胞前體進(jìn)行間接共培養(yǎng)2～3周，成功地支持了細(xì)胞的存活、黏附和分化。

3.生物活性涂層：傳統(tǒng)的大多數(shù)金屬支架(例如鈦和鈦合金)屬于生物惰性材料，這類(lèi)材料最常見(jiàn)問(wèn)題是細(xì)菌感染和缺乏快速骨結(jié)合的成骨能力。為了彌補(bǔ)材料的缺點(diǎn)，多項(xiàng)研究采用了鍶和其他離子共摻入合成涂層的方法，有效彌補(bǔ)了金屬支架容易產(chǎn)生細(xì)菌感染和缺乏成骨能力的缺點(diǎn)。Zhang等[28]將通過(guò)微弧氧化(MAO)技術(shù)在多孔TiO2涂層中同時(shí)摻入鍶和銀。結(jié)果顯示，Sr和Ag的加入使TiO2涂層具有較強(qiáng)的抗菌活性和成骨能力。Park等[29]則通過(guò)化學(xué)浸漬的方法在可生物降解鎂表面制備鍶帽涂層試樣。結(jié)果表明，與純鎂比較，鍶帽包覆鎂的耐蝕性有所提高。此外，還證實(shí)了含Sr組的生物相容性得到了提高。除了傳統(tǒng)的金屬支架以外，近年來(lái)，多項(xiàng)研究嘗試在一些已被證實(shí)具有骨誘導(dǎo)性的材料上進(jìn)行摻鍶涂層。Geng等[30]體外實(shí)驗(yàn)表明，在高pH值條件下，Sr的存在有利于MSCs的黏附、鋪展、增殖和成骨分化。此外，鍶替代磷灰石涂層可明顯抑制破骨細(xì)胞的分化和融合。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，納米針狀鍶替代磷灰石涂層能抑制破骨活性，促進(jìn)新骨形成，促進(jìn)骨-種植體結(jié)合。

4.生物陶瓷玻璃：在骨組織工程中，生物可降解陶瓷支架能夠原位輸送有利于骨形成的離子物種，受到越來(lái)越多的關(guān)注。近年來(lái)，許多研究嘗試將鍶加入生物陶瓷支架中。Zhao等[31]比較了傳統(tǒng)的羥基磷灰石生物陶瓷+雷尼酸鍶和摻鍶的羥基磷灰石生物陶瓷，結(jié)果表明在缺損區(qū)和種植體-骨間隙區(qū)域誘導(dǎo)了更多的新骨形成。Golafshan等[32]采用機(jī)械合金化的方法制備了鍶修飾氟磷灰石(Sr-FAP)、鎂和二氧化硅改性氟磷灰石(Mg-SiFAp)納米粉體。結(jié)果表明，摻雜元素可使Sr-FAP和Mg-SiFAp的結(jié)晶度(56%)分別降至45%和39%以下。此外，體外研究表明，與Mg-SiFAp比較，在成骨和正常培養(yǎng)21天后，Sr-FAP顯著促進(jìn)了hMSCs的成骨分化。

5.其他：除了將鍶摻入以上材料外，近年來(lái)部分研究也在積極探索鍶同其他材料結(jié)合的效果。Wang等[33]采用超聲共沉淀法制備了不同濃度含鍶摻雜羥基磷灰石/絲素蛋白(SrHA/SF)生物復(fù)合納米，體外細(xì)胞培養(yǎng)顯示高濃度鍶納米球?qū)撬栝g充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)的生物相容性沒(méi)有負(fù)面影響，同時(shí)提高了MSCs的活性，并且具有更高的成骨分化潛能。而Wong等[34]則采用模壓成型工藝制備了含鍶羥基磷灰石(Sr-HA)的摻雜量為15%～30%的聚醚醚酮(PEEK)聚合物基體，結(jié)果表明含鍶羥基磷灰石形式存在的鍶可以增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的生物活性。

三、展 望

鍶可以調(diào)整骨骼的代謝狀態(tài)，提高骨形成能力，影響骨代謝。對(duì)骨代謝的影響離不開(kāi)通過(guò)各種蛋白、通路、細(xì)胞因子等對(duì)成骨細(xì)胞，破骨細(xì)胞及干細(xì)胞，巨噬細(xì)胞等的作用，從而表現(xiàn)出鍶對(duì)骨組織的形成有促進(jìn)作用的表現(xiàn)，其機(jī)制往往是復(fù)雜而交錯(cuò)的，各個(gè)部分相互合作，相互制約，一起維持骨組織的穩(wěn)定。同時(shí)，對(duì)摻鍶生物復(fù)合材料的研發(fā)和研究也很多，可以發(fā)現(xiàn)，相較于原材料而言，一方面微量鍶的摻入可以提高生物材料的成骨效果和血管化過(guò)程，能夠?yàn)楣钦T導(dǎo)提供更有效和快速的方法。另一方面，微量鍶的摻入也顯著提高了材料的骨整合效果，摻鍶材料良好的抑菌效果和對(duì)鍶的釋放效果提高了材料植入部位的骨量。Webster等[45]研究發(fā)現(xiàn)，與生物材料的表面化學(xué)成分比較，成骨細(xì)胞的黏附可能更依賴(lài)于材料表面的物理形貌。所以對(duì)于由于材料表面不同的物理形態(tài)而造成不同成骨效果仍然需要進(jìn)一步的研究，同時(shí)由于目前大部分的摻鍶生物材料主要聚焦于其整體材料的制備過(guò)程，對(duì)于材料的生物性實(shí)驗(yàn)和其安全性也需要進(jìn)一步的研究。