金屬元素在促進(jìn)骨再生中的作用及機(jī)制*

劉子楊 李雅欣 劉加強(qiáng)

感染、創(chuàng)傷、腫瘤或發(fā)育異常等原因造成的頜骨缺損患者數(shù)量與日俱增，頜骨缺損往往會很大程度上影響患者的生理以及心理健康，因此頜骨缺損的修復(fù)已經(jīng)成為口腔臨床面臨的重大難題［1］。傳統(tǒng)治療頜面部骨缺損的方法有自體骨移植和異體/異種骨移植，但自體骨移植供體骨量有限且術(shù)后并發(fā)癥可能導(dǎo)致移植失敗，而異體/異種骨組織雖然來源較廣泛，但易引起排異反應(yīng)和感染［2］。這就需要我們探索開發(fā)具備良好的生物相容性、骨形成和骨誘導(dǎo)性能的人工骨修復(fù)材料。目前臨床上常用的人工組織工程骨修復(fù)材料主要分為金屬材料、非金屬材料及高分子聚合物材料三大類，一些骨修復(fù)材料如鈦及鈦合金，由于擁有良好的生物相容性、力學(xué)性能等優(yōu)點已被廣泛應(yīng)用于頜骨缺損的修復(fù)，但是現(xiàn)有修復(fù)材料普遍存在成骨活性仍不夠理想的問題，鑒于此，很多研究致力于對原有骨修復(fù)材料進(jìn)行改性，希望使材料擁有更好的促進(jìn)骨再生的性能［3］。

骨再生是一個復(fù)雜的過程，促進(jìn)骨生成細(xì)胞層面主要表現(xiàn)為促進(jìn)細(xì)胞黏附、增殖以及成骨分化，調(diào)節(jié)成骨與破骨的平衡，提高細(xì)胞間礦化水平，生物體層面則表現(xiàn)為材料能修復(fù)骨缺損并促進(jìn)了骨小梁的生長和新骨形成。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是多能干細(xì)胞，可以向成骨細(xì)胞分化，這是骨形成過程中的重要環(huán)節(jié)［4］。良好的骨修復(fù)材料可通過調(diào)控成骨相關(guān)信號通路促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和分化，促進(jìn)骨形成和骨整合，進(jìn)而提高臨床骨修復(fù)的成功率。以往許多研究發(fā)現(xiàn)，不同的離子在細(xì)胞環(huán)境及骨骼愈合過程中起到一定作用［5,6］，特別是某些金屬元素，作為生物活性成分在材料改性方面做出的貢獻(xiàn)逐漸受到重視［7-10］。本文將針對近年來常用于增強(qiáng)材料成骨活性的金屬元素的研究進(jìn)展做一綜述，重點對其在骨生成中作用及相關(guān)細(xì)胞學(xué)機(jī)制進(jìn)行總結(jié)與討論。

1.鎂元素對促進(jìn)成骨的作用與機(jī)制

鎂離子是參與人體正常生命活動和代謝過程的重要常量元素，是構(gòu)成骨骼的主要元素之一，有研究表明鎂離子可以通過誘導(dǎo)細(xì)胞的成骨分化促進(jìn)骨生成［11,12］，同時鎂合金也因為具有良好的生物相容性和機(jī)械性能在骨缺損方面受到了廣泛研究［13］。下面就這一方面主要被研究的四條信號通路做一總結(jié)。

1.1 Wnt/β-catenin 信號通路 已有很多研究肯定了Wnt/β-catenin 信號傳導(dǎo)通路在骨形成過程中的重要調(diào)控作用。Wnt/β-catenin 調(diào)控在骨形成過程中的經(jīng)典途徑是Wnt1 組（包括Wntl、Wnt2、Wnt3、Wnt3a、Wnt8 和WntSb）與Lrp/Fzd相互結(jié)合，通過一系列胞質(zhì)蛋白的相互作用，使β-catenin 在胞質(zhì)內(nèi)累積，進(jìn)而入細(xì)胞核內(nèi)與轉(zhuǎn)錄因子TCF/LEF-1 相互作用，并通過與相應(yīng)的DNA 序列結(jié)合來調(diào)節(jié)其下游成骨相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄［14］。Hung CC 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，鎂離子刺激能使β-catenin 表達(dá)增加，調(diào)控下游基因的轉(zhuǎn)錄促進(jìn)細(xì)胞成骨分化。Wang Y 等［15］得出了類似的結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)鎂離子誘導(dǎo)糖原合成酶激酶3β 磷酸化，阻礙了糖原合成酶激酶3β 與β-catenin 的結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)內(nèi)β-catenin水平升高。

Tsao YF 等［16］則研究了細(xì)胞外高濃度鎂對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的影響，以及鎂轉(zhuǎn)運蛋白SLC41A1 在成骨分化過程中的作用。與之前的結(jié)論相反，他們認(rèn)為細(xì)胞外高濃度鎂會抑制礦化過程，SLC41A1 在這個過程中發(fā)揮重要作用，Wnt 信號被認(rèn)為參與SLC41A1 介導(dǎo)的調(diào)節(jié)，敲除SLC41A1 可以促進(jìn)成骨過程中的礦化。對于上述相反的結(jié)論，可能與研究中不同的鎂離子的濃度、細(xì)胞來源、培養(yǎng)類型以及成骨分化階段等因素有關(guān)。

1.2 MAPK/ERK 信號通路 絲裂原活化蛋白激 酶（mitogen activated protein kinase,MAPK）是真核生物細(xì)胞內(nèi)廣泛存在重要信號傳導(dǎo)系統(tǒng)，鎂促骨再生的MAPK 信號通路機(jī)制也被廣泛研究。MAPK 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是以三級激酶級聯(lián)的方式進(jìn)行的，首先MAPKKK 受有絲分裂原刺激磷酸化而激活，在此基礎(chǔ)上MAPKKK 轉(zhuǎn)而磷酸化激活MAPKK，最后由MAPKK 磷酸化MAPK 使其活化，磷酸化的MAPK 轉(zhuǎn)入核內(nèi)調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)。傳統(tǒng)的MAPK 包括3個亞家族成員：ERK1/2、JNK1/2/3、p38，為了明確具體哪些信號分子參與成骨相關(guān)信號的介導(dǎo)，Kim JA 等［17］制備了一種新型陶瓷支架，他們發(fā)現(xiàn)該材料可誘導(dǎo)原代人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和小鼠成骨細(xì)胞系MC3T3-E1 細(xì)胞礦物質(zhì)沉積和成骨細(xì)胞標(biāo)志基因（Runx2、Col1a1、Oc、Bsp）表達(dá)，骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)7（BMP7）表達(dá)量顯著提高，接著他們分析了各種信號分子的磷酸化水平，與對照組相比，實驗組MEK1/2 和ERK1/2的磷酸化水平增高，而p38和JNK 的磷酸化水平?jīng)]有改變，這些結(jié)果表明該材料通過磷酸化MEK1/2和ERK1/2誘導(dǎo)BMP7的表達(dá)。

Zhao M 等［18］以一種新型納米石墨烯-磷酸鈣-殼聚糖/AZ91D 復(fù)合材料為研究對象，檢測了這種材料在長期浸泡過程中的pH 值和離子釋放，他們發(fā)現(xiàn)該材料可長期維持細(xì)胞內(nèi)ERK 信號通路的上調(diào)，實驗組ERK 的磷酸化水平表達(dá)均顯著高于對照組。Wang Y 等［15］得出類似的結(jié)論，他們通過腐蝕試驗確定純鎂的降解能夠產(chǎn)生堿性微環(huán)境，且發(fā)現(xiàn)用鎂離子處理后ERK 的磷酸化增加，由此推斷鎂離子的成骨作用可能與微環(huán)境的pH 變化和MAPK/ERK 信號通路的激活有關(guān)。以上實驗都強(qiáng)調(diào)了，除了鎂離子本身具有的生物活性外，它所形成的pH環(huán)境也會對細(xì)胞行為也會產(chǎn)生影響。

Yan YR 等［19］開發(fā)了一種二氧化鈦納米管陣列并將鎂結(jié)合到納米管中，以增強(qiáng)鈦植入物的成骨活性，結(jié)果顯示細(xì)胞中成骨相關(guān)基因的mRNA 表達(dá)在這種材料表面均顯著上調(diào)，ERK1/2 信號激活。他們認(rèn)為該材料促進(jìn)成骨的原因有兩方面，納米形貌和釋放的鎂離子：材料本身的納米結(jié)構(gòu)表面可以模擬天然骨細(xì)胞外基質(zhì)，以誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化；而其中的鎂營養(yǎng)元素對骨形成和血管生成起重要作用，細(xì)胞中成骨相關(guān)基因（Col、Ocn、Runx2）和血管生成相關(guān)基因（Vegf、Hif-2）表達(dá)均發(fā)生上調(diào)。鎂離子一方面通過促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化直接促進(jìn)成骨，另一方面鎂是損傷組織周圍血管生成的基本元素，加速的血管生成可以促進(jìn)營養(yǎng)物向植入物周圍的運輸，從而加速新骨形成和骨愈合［20-23］。

1.3 PI3K/Akt 信號通路 磷酸肌醇-3-激酶（Phosphatidylinositol 3-Kinase,PI3K）是一種胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶，酪氨酸激酶和G蛋白偶聯(lián)受體的信號可使其激活，進(jìn)而招募Akt從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜上并使其磷酸化，磷酸化的Akt轉(zhuǎn)至細(xì)胞核內(nèi)激活轉(zhuǎn)錄因子啟動轉(zhuǎn)錄［24］。近年來開始有研究還珠PI3K蛋白家族與細(xì)胞成骨分化的關(guān)系。Zhang XZ等［25］研究發(fā)現(xiàn)鎂離子通過TRPM7通道進(jìn)入細(xì)胞中，接著通過PI3K/Akt信號通路上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子Runx2和堿性磷酸酶（ALP）的表達(dá)，從而顯著增強(qiáng)人成骨細(xì)胞的成骨活性；另一方面TRPM7/PI3K信號通過誘導(dǎo)細(xì)胞遷移,將成骨細(xì)胞從低鎂環(huán)境招募到高鎂環(huán)境中，增強(qiáng)相關(guān)信號通路的激活。

1.4 BMP/Smad 信號通路 骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)（bone morphogenetic protein，BMP）可通過與膜中的絲氨酸/蘇氨酸激酶受體結(jié)合，并隨后磷酸化下游效應(yīng)物，磷酸化的Smad1/5 然后被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中以激活靶基因轉(zhuǎn)錄，已有研究肯定了BMP/Smad 信號通 路在促 成骨方 面的作 用［26］。Zhang XF等［27］系統(tǒng)地研究了巨噬細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞參與的鎂離子的骨免疫調(diào)節(jié)特性。他們認(rèn)為微量鎂離子（100 mg/L）具有促進(jìn)骨形成的骨免疫調(diào)節(jié)特性。更具體地說，微量鎂離子誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的M2 表型變化和抗炎細(xì)胞因子的釋放，而鎂離子/巨噬細(xì)胞條件培養(yǎng)基促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨，很可能是通過BMP/Smad信號通路實現(xiàn)的。

通過上述研究我們可以了解到，鎂離子對成骨的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面；首先是對成骨相關(guān)細(xì)胞的直接影響，成骨相關(guān)細(xì)胞包括間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等，這其中關(guān)于鎂離子促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖與成骨分化的相關(guān)研究較多，對于成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞存在怎樣的作用還需要進(jìn)一步深入研究；其次是鎂離子通過調(diào)節(jié)成骨免疫微環(huán)境間接的促進(jìn)成骨，例如通過影響巨噬細(xì)胞極化、蛋白吸附等；最后需要注意的是，鎂離子促進(jìn)血管生成的作用也不容忽視，而血管的生成對骨的生長修復(fù)至關(guān)重要。鎂促進(jìn)骨再生這一領(lǐng)域已經(jīng)有很多研究，因此在這里做個總結(jié)，下面介紹的金屬元素對于促進(jìn)骨再生的作用機(jī)制的研究側(cè)重點大多也符合上述幾個方面，有特殊的會再指出。

2.鉭元素對促進(jìn)成骨的作用與機(jī)制

許多研究表明，多孔鉭作為一種理想的新型移植材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)胞相容性和誘導(dǎo)骨形成的能力［28-30］。

Shi LY 等［31］試圖通過添加鉭涂層來提高材料的性能，實驗結(jié)果證實鉭比鈦更能促進(jìn)細(xì)胞的黏附和增殖，且鉭表面的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有更好的成骨分化趨勢。在進(jìn)一步研究中，他們發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin 和TGF-β/Smad 信號通路參與這個過程的調(diào)節(jié)。鉭組β-catenin 水平顯著較高，且下游成骨相關(guān)基因（Runx2、Col1a1、Axin2、Smad6、C-myc 等）較鈦組高表達(dá)。另外體外實驗結(jié)果也證實了TGF-β/Smad 信號通路的激活，使用Smad3 特異性抑制劑阻斷可顯著抑制骨分化。研究者還進(jìn)行了體內(nèi)實驗，將常規(guī)鈦椎弓根螺釘和鉭涂層螺釘植入豬的雙側(cè)椎弓根，結(jié)果表明，鉭促進(jìn)細(xì)胞黏附和增殖的能力更強(qiáng)，顯著提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的礦化水平，且鉭涂層螺釘對破骨細(xì)胞有抑制作用。顯微CT、組織學(xué)和生物力學(xué)檢查也顯示，與鈦涂層螺釘相比，鉭涂層螺釘顯著促進(jìn)了骨小梁的生長。這項研究的意義主要體現(xiàn)在以下三個方面：(1）在鈦合金上制備鉭涂層實現(xiàn)了將鈦的機(jī)械性能與鉭的生物學(xué)活性的結(jié)合。(2）發(fā)現(xiàn)了鉭對于破骨細(xì)胞的抑制作用，正如上文提到的，很多研究側(cè)重于材料對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的影響，而對于成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的研究相對較少。(3）體內(nèi)實驗證明了材料的生物安全性以及應(yīng)用于臨床的可能性。

MAPK/ERK 信號的激活在鉭促進(jìn)成骨的相關(guān)研究中也常被涉及Dou XJ 等［32］制備了相同孔徑的多孔六鋁四釩鈦和多孔鉭來培養(yǎng)大鼠的間充質(zhì)干細(xì)胞，隨后測定兩組的成骨相關(guān)基因的mRNA 表達(dá)水平以及蛋白表達(dá)水平，結(jié)果表明多孔鉭激活MAPK/ERK 信號通路，上調(diào)了Ⅰ型膠原、骨結(jié)合素和骨鈣素等成骨基因的表達(dá)，兩組用MAPK/ERK 特異性抑制劑U0126 處理后結(jié)果無統(tǒng)計學(xué)差異。Lu MM 等［33］研究思路類似，但他們?yōu)榱俗钚』Y(jié)構(gòu)因素的影響，將鉭和鈦基底拋光至鏡面光潔度，評估兩種材料對整合素α5β1/ERK1/2 級聯(lián)介導(dǎo)的小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨的效應(yīng)。他們通過堿性磷酸酶活性、茜素紅染色、反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)和蛋白質(zhì)印跡法，評價兩種基質(zhì)對細(xì)胞成骨的影響，此外通過RNA 干擾上調(diào)和下調(diào)整合素α5 和β1，以及通過用U0126 抑制ERK1/2 來評估整合素α5β1/ERK1/2通路在鉭和鈦的成骨誘導(dǎo)性能中的作用。結(jié)果表明種植在鉭表面的細(xì)胞成骨活性更好，而整合素a5 或整合素b1 的下調(diào)或ERK1/2的抑制會損害鉭表面的成骨細(xì)胞分化。

以上所述的研究中，研究者以較常用的鈦合金作為對照，以人/大鼠/小鼠的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞或成骨細(xì)胞系為研究對象，評估了鉭對干細(xì)胞的成骨分化誘導(dǎo)能力。實驗通過測定成骨標(biāo)志物、成骨相關(guān)基因的mRNA 表達(dá)水平以及蛋白表達(dá)水平，證明了Wnt/β-catenin、TGF-β/Smad、MAPK/ERK、整合素信號通路等在促進(jìn)細(xì)胞成骨分化方面的作用。但需要注意的是，雖然鉭在骨缺損修復(fù)中表現(xiàn)出優(yōu)越的生物學(xué)活性，但鉭的彈性模量遠(yuǎn)高于人體骨組織，容易產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，不適合作為承重醫(yī)療植入物長期使用，因此將鈦合金的機(jī)械性能與鉭的生物學(xué)活性相結(jié)合可能是未來一個有意義的課題［23］。

3.鍶元素對促進(jìn)成骨的作用與機(jī)制

鍶是人體內(nèi)的微量元素，在植入物表面添加鍶或制備含鍶的涂層可顯著提高植入物的生物活性［34,35］。Chen XY 等［36］采用水熱法制備了SrCl2溶液中噴砂處理的大顆粒雙面酸蝕鈦（SLA），體外檢測小鼠成骨細(xì)胞系MC3T3-E1 細(xì)胞在該表面的增殖、黏附和分化情況，發(fā)現(xiàn)SLA-Sr 組明顯優(yōu)于SLA 組。對24 只新西蘭大白兔進(jìn)行體內(nèi)實驗，結(jié)果顯示SLA-Sr 組在3 周和6 周后與SLA 組相比，種植體骨-種植體直接接觸量和種植體周圍骨體積顯著增加，說明SLA-Sr 種植體在骨結(jié)合早期的生物學(xué)效應(yīng)明顯優(yōu)于SLA 種植體,體內(nèi)實驗的結(jié)果同時證明了材料具有良好的生物相容性，兩組種植體在組織學(xué)上均與周圍骨直接接觸，顯微鏡下未見骨-種植體界面有炎癥表現(xiàn)。

關(guān)于深 入機(jī)制 的研究，Li M 等［37］評估了Mg-1Ca-Xwt% Sr（(X=0.2，0.5，1.0，2.0）合金對小鼠成骨細(xì)胞系MC3T3-E1 細(xì)胞成骨分化和礦化的影響，結(jié)果顯示Mg-1Ca-2.0Sr 合金顯著上調(diào)成骨相關(guān)基因的表達(dá)，且能快速誘導(dǎo)細(xì)胞外信號MAPK/ERK 激活。同時他們還關(guān)注到，增加鍶的加入量可以細(xì)化晶體顆粒，這是提高合金力學(xué)性能和腐蝕性能的主要因素；此外隨著鍶含量的增加，合金對蛋白質(zhì)的吸附能力也增強(qiáng)，而蛋白質(zhì)在表面的吸附對早期細(xì)胞附著和擴(kuò)散的反應(yīng)有至關(guān)重要的影響。Wang Z 等［38］通過化學(xué)沉積法在可生物降解的鎂-釹-鋅-鋯合金（JDBM）表面開發(fā)了一種SrHPO4涂層，其目的是為了提高材料抗腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度的同時，提高其促成骨性能。用該材料離子釋放試驗提取物培養(yǎng)小鼠成骨細(xì)胞系MC3T3-E1 細(xì)胞，研究結(jié)果顯示實驗組Toll 樣受體4增加，下游PI3K/Akt信號通路激活，引起細(xì)胞的增殖和生長。同時近年來也有許多體內(nèi)研究證實，許多摻雜鍶的生物活性材料，如鍶摻雜的磷酸鈣生物活性陶瓷、生物活性玻璃、復(fù)合凝膠等，均具備加速周圍宿主骨形成的能力，對實驗動物的骨缺損有很好的修復(fù)效果［39,40］。

上述研究都證明了鍶離子促進(jìn)成骨的生物學(xué)活性，隨著材料降解鍶離子緩慢釋放，在局部形成富含鍶離子的微環(huán)境，這是摻鍶材料促進(jìn)骨形成的主要原因。但是與此同時我們也可以得出另一個結(jié)論，在材料內(nèi)部或表面添加金屬活性離子或涂層，也可以使材料的形貌結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、抗腐蝕性能等發(fā)生改變，而這些性能的提高與改善將有利于其更好的骨重建。

4.鋅元素對促進(jìn)成骨的作用與機(jī)制

鋅生物材料因其與骨相似的力學(xué)性能、生物相容性和與組織愈合速度更匹配的降解性，近年來成為承載醫(yī)用植入物的研究熱點，與目前報道的鐵基和鎂基可生物降解合金相比，鋅基合金不存在組織愈合腐蝕速率不匹配和缺乏延展性的限制［41,42］。此外，研究發(fā)現(xiàn)鋅可以通過促進(jìn)多種途徑增強(qiáng)細(xì)胞成骨能力，因此鋅離子成為許多生物骨支架的添加因子之一［43,44］。有研究表明，鋅離子進(jìn)入細(xì)胞后激活cAMP-PKA 途徑，并觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)Ca2+反應(yīng)，導(dǎo)致MAPK 的激活，此外鋅離子還激活了Gαq-PLC-AKT 通路，最終所有這些信號將導(dǎo)致細(xì)胞生長和分化、細(xì)胞外基質(zhì)礦化、成骨和其他細(xì)胞活動的差異調(diào)節(jié)增強(qiáng)［45］。此外，鋅離子可以促進(jìn)植入物周圍血管的生成，這同樣有利于骨結(jié)合與新骨生成［42,46］。

5.鋯元素對促進(jìn)成骨的作用與機(jī)制

鋯是一種常用的用于牙科和骨科植入物的元素，有研究將原代人成骨細(xì)胞培養(yǎng)在不同濃度的硝酸鋯的培養(yǎng)基中，觀察成骨細(xì)胞的增殖、分化和鈣沉積情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鋯離子作用下，BMP2 和BMP 受體的基因表達(dá)增加，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中磷酸化的Smad1/5 水平顯著增加，進(jìn)而下游轉(zhuǎn)錄因子被激活，促進(jìn)了細(xì)胞的成骨分化［47］。值得一提的是，目前臨床上最常用的含鋯元素的材料為氧化鋯材料，氧化鋯雖然因其良好的生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度以及美觀效果，作為基臺及種植體材料被廣泛應(yīng)用于口腔領(lǐng)域［47,48］，但氧化鋯屬于一種生物惰性陶瓷，吸引蛋白質(zhì)及成骨細(xì)胞的黏附的能力較差，不利于種植體的骨整合［49］，這也啟示我們，如何采用物理或化學(xué)方法使氧化鋯材料改性，或者采用何種方式在保證氧化鋯機(jī)械力學(xué)性能的同時發(fā)揮鋯離子的生物學(xué)活性，可能是是未來研究的一個方向。

6.銀元素對促進(jìn)成骨的作用與機(jī)制

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米銀粒子（AgNps）逐漸成為骨組織工程研究關(guān)注的熱點，它的抗菌能力在以往研究中受到肯定，同時有研究指出它還具備一定的促成骨能力［50］。Cao HL 等［51］采用等離子體浸沒離子注入法制備了AgNps 并將其固定在鈦表面，他們研究發(fā)現(xiàn)AgNps 通過引發(fā)電偶極析氫反應(yīng)對整合素α5 具有重要的激活作用，從而激活整合素α5 介導(dǎo)的MAPK/ERK 信號級聯(lián)，促進(jìn)大鼠骨髓干細(xì)胞成骨分化。Zhang RZ 等［52］同樣證明了AgNps 的促成骨作用，他們發(fā)現(xiàn)AgNps 在4 M 濃度時能夠促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增值，在10 M 濃度時明顯促進(jìn)成骨分化，但同時他們也指出AgNps 濃度可能對實驗結(jié)果造成重要影響，低濃度可能不足以促進(jìn)體外培養(yǎng)的間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，高濃度則會使骨髓干細(xì)胞的活性受到抑制。事實上AgNps對細(xì)胞存在潛在毒性已被很多研究證實，實際應(yīng)用中我們應(yīng)該更謹(jǐn)慎的考慮納米粒子的顆粒直徑、濃度等因素，評估其生物安全性。

7.其他金屬

除上述提到的一些金屬元素外，還有一些金屬元素被證實可以起到促成骨的作用，例如鋰［53-55］、銅［10,56］、鈷［57］、釓［58］、鎵［9］等。鋰離子可激活Wnt/β-catenin 通路，促進(jìn)前體細(xì)胞向成骨方向轉(zhuǎn)化，同時抑制破骨細(xì)胞活性和骨吸收［54］。除此之外鋰離子能夠刺激骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分泌含miRNA-130a 的外泌體，激活血管內(nèi)皮細(xì)胞中的PTEN/AKT 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，促使血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移和管狀形成的增加，加速血管生成從而促進(jìn)成骨［55］。而其余離子或因為細(xì)胞或毒性比較明顯應(yīng)用受限，或研究還不夠深入安全性存疑，因此研究相對較少，在生物材料中的應(yīng)用也存在爭議，在此不進(jìn)行過多闡述。

8.總結(jié)與展望

修復(fù)頜骨缺損始終是臨床上的一個重要難題，關(guān)于骨修復(fù)材料的創(chuàng)新和改良也是日新月異。本文主要總結(jié)了一些生物活性骨組織工程材料的研究進(jìn)展，利用金屬元素對細(xì)胞、生物體的作用提高材料的促成骨性能。本文詳述了三種金屬：鎂、鉭、鍶，簡述了三種金屬：鋅、鋯、銀，并提及了其他一些也具有成骨誘導(dǎo)性能的金屬離子。通過對這些研究的總結(jié)歸納與分析，我們總結(jié)出一些共性規(guī)律。

首先，這些材料發(fā)揮促進(jìn)成骨作用往往體現(xiàn)在以下幾個方面：(1）構(gòu)建含有某種金屬元素的材料，其中的金屬離子可以釋放到細(xì)胞生存的環(huán)境中，在材料表面與骨組織之間形成一個局部低濃度的離子環(huán)境，活性離子可以激活多種細(xì)胞內(nèi)信號通路，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞行為和骨重建的進(jìn)程；(2）金屬離子的加入可以使材料的理化性能發(fā)生改變，例如能細(xì)化晶體顆粒，提高合金力學(xué)性能和腐蝕性能；或增加材料的蛋白質(zhì)的吸附能力，有利于早期細(xì)胞附著和擴(kuò)散。其次，隨著研究的深入，內(nèi)在成骨相關(guān)的信號通路也逐漸被研究。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是一種多能成體干細(xì)胞，在成骨的相關(guān)研究中廣泛受到關(guān)注，可在體外條件下誘導(dǎo)分化為成骨細(xì)胞，上文所提到的金屬離子發(fā)揮促成骨作用，也大多是通過誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化實現(xiàn)的。參與成骨的比較重要的信號通路有Wnt/β-catenin 通路、MAPK 通路、整合素通路、磷脂酰肌醇3-激酶通路、BMP/Smad 通路等，這些信號通路調(diào)節(jié)著細(xì)胞的增殖、分化、細(xì)胞外基質(zhì)礦化、成骨和其他細(xì)胞活動，最終維持了骨代謝平衡。同時需要注意的是，金屬離子發(fā)揮作用并不是依靠單一信號通路，而是多條通路相互作用相互影響，共同調(diào)節(jié)細(xì)胞的生物學(xué)活動，這還需要進(jìn)一步深入研究，探討更為復(fù)雜的分子機(jī)制。

還有一點值得關(guān)注，生物相容性及生物毒性是決定臨床應(yīng)用的關(guān)鍵因素，是生物材料開發(fā)繞不開的問題，而這牽涉的內(nèi)容又是多方面的。生物材料中金屬離子發(fā)揮的作用是復(fù)雜而精妙的，成骨作用的發(fā)揮會受到移植部位與范圍、材料降解速率、離子釋放濃度等的影響，局部離子濃度過低可能無法起到很好的處成骨作用，而濃度過高則會有細(xì)胞毒性，這需要更多的體內(nèi)外實驗進(jìn)一步深入研究，目前相關(guān)的體內(nèi)實驗及專門的研究還相對不足。

這篇綜述的創(chuàng)新性在于總結(jié)了近年來含不同金屬元素的骨修復(fù)材料促進(jìn)成骨的作用及可能分子機(jī)制，希望為更多科研工作者提供實驗設(shè)計靈感與思路；局限性在于文中總結(jié)的一些研究只涉及體外細(xì)胞實驗，側(cè)重于研究金屬離子對骨代謝相關(guān)細(xì)胞產(chǎn)生的作用，而真正應(yīng)用還需要考慮到材料的機(jī)械性能、抗腐蝕性能、生物毒性、生物相容性等很多問題，這尚需要進(jìn)行更多的體內(nèi)實驗和臨床試驗來評測。