金屬納米材料在骨組織再生修復中的應用

張瀚哲 徐佳 康慶林

部分外傷、感染、腫瘤可導致骨組織缺損遷延不愈，這不僅成為患者持續(xù)的負擔，也為診療帶來巨大的挑戰(zhàn)。通常情況下，治療骨不連、骨缺損的手段包括骨移植、骨搬運、Ilizarov 方法等。盡管這些治療手段可以治愈多數(shù)骨缺損，但在實際臨床中治療周期仍舊過長。為縮短愈合時間，減輕患者痛苦，利用納米復合材料構建的生物工程支架的巨大潛力正逐漸展露。骨組織修復過程中，血管和神經修復、干細胞和營養(yǎng)因子分泌等對骨缺損愈合起到重要作用，甚至關系到骨組織再生轉歸。有研究利用裝載有營養(yǎng)因子、mRNA[1]、DNA[2]的納米載藥體系對患處進行精準治療，可顯著縮短骨愈合時間。

可用于骨組織修復的納米材料可簡單分為有機納米材料和無機納米材料。有機納米材料包括脂質體、聚合物納米顆粒、樹狀大分子等；無機納米材料主要有金屬納米顆粒、生物陶瓷玻璃納米材料、碳納米管和量子點等。金屬納米材料由于量子化效應，具備超順磁性、光敏性、熱敏性等特性，在藥物遞送、生物傳感、生物成像及熱療[3]中存在巨大潛力和臨床應用價值。不僅如此，以金屬納米材料為核心的復合納米材料因優(yōu)異的機械強度、生物相容性和骨組織誘導增殖分化特性，在骨組織再生、修復中具有潛力。

1 磁性納米復合材料

磁性納米材料包括納米尺寸的鐵、鈷、鎳及其氧化物顆粒，常見的磁性納米顆粒（MNP）包括超順磁性氧化鐵納米粒（SPION）、合金、磁性陽離子脂質體等。超順磁性納米顆粒可以用于成像、傳感、熱療、細胞追蹤分離、靶向引導藥物和基因傳遞。雖然一些鎳鐵氧化物顯示出對細胞增殖的潛在毒性，但部分SPION 仍可以通過涂有特定表面改性劑，達到良好的生物相容性[4]。部分SPION由于較成熟的合成工藝和可靠的體內代謝通路，已成為美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準的顯影劑、鐵劑、熱療劑在臨床上開展運用。

從機制上來講，MNP 或電磁場的單獨應用均可促進干細胞成骨分化和血管生成[5-6]。其中，低頻脈沖電磁場可以促進人類脂源間質干細胞（ADSC）向成骨細胞分化，誘導骨組織形成[7]。低劑量的氧化鐵（Fe3O4）納米顆粒在固定磁場的作用下可促進間充質干細胞（MSC）外泌體形成并增加成骨和成血管效應[8]。SPION 支架既可以提供具備良好剛度的磁性界面，又可以在固定磁場的作用下與巨噬細胞相互作用，通過抑制Toll 樣受體2/4（TLR2/4）并誘導血管內皮生長因子受體（VEGFR）-2 激活，抑制炎癥因子白細胞介素（IL）-1 、腫瘤壞死因子（TNF）- 等分泌，減少局部炎癥并促進骨再生。同時，SPION 支架還可同時抑制促進破骨細胞分化的細胞因子基質金屬蛋白酶（MMP）-9 和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）分泌，上調血管內皮生長因子（VEGF）和血小板衍生生長因子（PDGF）表達水平，促使巨噬細胞向M2樣表型分化，從而促進成骨細胞骨轉化和內皮細胞血管生成[9]。

由于介孔材料擁有開放的介孔通道和高比表面積，具備易于表面修飾和多功能集成的特點[10]，聯(lián)合介孔材料構建的SPION 進一步具有緩釋可控性強、生物相容性高、封裝量可靠等生物理化性質。常用可對金屬納米顆粒進行修飾改性的材料包括碳酸鈣納米顆粒、硅酸鹽納米顆粒和聚合物納米顆粒。Jia 等[11]通過在Fe3O4表面包覆介孔硅，成功加強了MSC 向成骨細胞的分化，促進了骨組織再生。Lu 等[12]首次制備了磁性SrFe12O19納米顆粒修飾的介孔生物玻璃/殼聚糖多孔支架（MBCS），利用MBCS 產生的磁場通過激活骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）-2/Smad/Runx2 信號通路促進成骨相關基因OCN、COL1、Runx2和ALP的表達，從而促進新骨再生。Hu 等[13]構建了聚乳酸-羥基乙酸/聚己內酯/ -磷酸三鈣（PPT）支架，并將SPION 植入核殼結構的多孔靜電紡絲支架中，結果表明PPT/ -Fe2O3支架的潤濕性、超順磁性、硬度、拉伸強度和彈性模量均優(yōu)于PPT 支架本身；由于PPT/ -Fe2O3支架具備良好的生物相容性和對鐵離子有效控釋，在支架內種植的大鼠ADSC 整合素β1、ALP及其他成骨相關基因表達均顯著增加。SPION 還可聯(lián)合水凝膠促進骨組織再生。Hu 等[14]成功構建了SPION 與凝膠海綿共同構成的體系，該體系在磁場的作用下不僅擁有良好的顯影性，而且具備誘導骨組織再生的特性。此外，Lee 等[15]在納米碳管領域研究合成了一種新型的多功能殼聚糖（CT）功能化超磁性埃洛石納米管（M-HNT），并用磷酸鈣納米片（CaP）對其進行修飾；在M-HNT-CT 表面分布的CaP、Fe3O4、殼聚糖的協(xié)同成骨作用下，人ADSC 可順利進行成骨誘導分化，表現(xiàn)出較強的成骨潛能。

經過改性的支架可以載負VEGF、成纖維細胞生長因子（FGF）、PDGF、IL，甚至內分泌激素和核酸片段進行聯(lián)合修復骨組織。Lanier 等[16]合成一種由聚己內酯（PCL）微粒、MNP 和胎盤蛋白組成的磁響應納米系統(tǒng)，當受到交變磁場作用時，MNP 加熱并熔化PCL，胎盤蛋白質從微粒中擴散并促進骨損傷部位干細胞增殖再生；磁場關閉時，胎盤蛋白質被固定在微粒內部。Brett 等[17]合成了一種與MNP 整合的預制轉染支架，該支架以Fe3O4為核心，并由聚乙烯亞胺、編碼綠色熒光蛋白、Bcl-2 的小環(huán)質粒及聚 -氨基酯構成；通過磁轉染控制Bcl-2 過表達，抑制植入細胞凋亡；磁性轉染支架植入后，ADSC 中Bcl-2 表達上調，與純質粒轉染對照組相比，磁轉染支架組轉染效率更高，調控成骨性能更優(yōu)。

2 金納米復合材料

金納米顆粒在生物成像過程中可吸收近紅外范圍的光，可用于暗視野顯微成像和雙光子顯微成像；高原子序數(shù)的金納米顆粒具有較高的X 射線衰減系數(shù)，可結合CT 掃描提高結果的特異性和靈敏性。研究認為，金納米顆粒比其他納米顆粒更為安全，但對其生物相容性、生物分布、生物消除和環(huán)境影響的研究仍需進一步深化[18]。金納米顆粒被MSC 內吞后通過激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑，促進其成骨分化并抑制其向ADSC轉化[19]。此外，該顆粒還可通過核因子- B 受體活化因子配體(RANkL)抑制骨髓源性巨噬細胞分化成為破骨細胞[20]。金納米顆粒在介導骨組織再生修復過程中具備潛力。

金納米顆粒多與其他納米材料如高分子聚合物、凝膠等一起構建骨生物工程材料。Samadian等[21]將含有明膠納米纖維（GNF）和金納米顆粒的聚左旋乳酸/聚已內酯（PLLA/ PCL）制備一種三維骨組織工程支架，該新型支架在孔隙率、孔徑、力學性能、生物相容性和骨傳導活性方面具有適合骨組織工程的性能。Lee 等[22]使用酶交聯(lián)明膠、N-乙酰半胱氨酸（NAC）附著的功能化金納米顆粒構建了一種可注射的凝膠Ty/AuNP/NAC，該復合體系具有較好的力學強度和生物相容性，可促進人ADSC 生長與成骨分化。

此外，金納米顆粒可以聯(lián)合石墨烯、合金等新型納米材料構建材料體系，但其安全性仍在論證中。Fu 等[23]采用賴氨酸功能化氧化石墨烯（Lysg-GO）納米顆粒和聚多巴胺修飾的金納米顆粒涂層改善聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）支架材料的生物功能；制備的金納米顆粒PDA/PLGA/Lys-g-GO 復合支架具有良好的機械強度、親水性和抗菌性能，并可顯著促進成骨細胞粘附、增殖、成骨分化等功能。Ko 等[24]合成了一種雙層金納米顆粒固定鈦種植體，此種植體在作用于MSC時，表現(xiàn)出較強的成骨潛能。

轉錄因子表達的時效性對誘導干細胞成骨分化至關重要，金納米顆粒還可以搭載轉錄因子并依靠材料特性對搭載轉錄因子進行時序性表達。Kim 等[25]合成一種以直徑350～450 nm 金納米顆粒為基礎的3 層連續(xù)基因延時傳遞系統(tǒng)（T-CGDS），用于將基因及時傳遞至MSC 中誘導成骨分化；當T-CGDS 作用于MSC 時，依次表達外層（RUNX2）、中層（SP7）和核心層（ATF4）的基因，可于體內外發(fā)揮穩(wěn)定有效的骨再生性能。

3 銀納米復合材料

銀納米顆粒擁有優(yōu)異的光譜殺菌效力，對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、真菌和部分病毒均具有殺滅作用。銀納米材料在治療慢性感染造成的骨不連、骨缺損中存在巨大潛力。由于其特殊的滅菌機制，相關的耐藥事件非常罕見[26]。銀納米材料若與其他高分子材料組裝的復合納米顆粒進行聯(lián)合，可有效降低毒性，并保持強大的抗感染性能。Sobolev 等[27]通過等離子體電解氧化法（PEO）制備了包覆有銀納米顆粒和羥基磷酸鈣的鈦合金體系。該材料體系在體內可能先轉化為硫化銀納米粒子，從而發(fā)揮其抗感染特性[28]。有研究指出，細胞在銀納米顆粒暴露后，干細胞中與破骨細胞途徑相關的蛋白分子如BMP-4、BMP-6 和FOS 樣抗原1(FOSL1)等表達顯著增加[29]。銀納米顆粒也因優(yōu)異的抗菌能力，常作為修飾其他納米材料的重要組件，與其他納米材料如明膠[30]、聚多巴胺[31]、羥基磷酸鹽[32]、蠶絲素[33]、氧化石墨烯[34]等一并發(fā)揮作用。

銀納米顆粒也可聯(lián)合石墨烯、合金等新型材料構建納米體系，其安全性仍需進一步探究。Weng 等[34]設計并合成了裝載銀納米顆粒的羥基磷灰石/還原氧化石墨烯3D 支架（AHRG 支架），通過復合材料協(xié)同作用，有效抑制了耐甲氧西林金黃色葡萄球菌等病原微生物生物膜形成，可促進骨修復，抑制骨感染。Chen 等[35]合成了一種抗菌的載銀納米顆粒TiO2納米管（Ag/TiO2-NT），該新型材料可抑制磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/Akt 信號通路，抑制下游效應物GLUT1 并激活自噬。通過控制釋放超低劑量銀離子，納米管可誘導巨噬細胞向M2 表型極化，并在體外創(chuàng)造適宜骨組織再生的骨免疫微環(huán)境。

4 結語

金屬納米復合材料構建的生物支架在加速骨組織再生修復方面具備巨大潛力。為了獲得更好的治療效果，有必要探究金屬納米材料聯(lián)合介孔材料、水凝膠、生物陶瓷、合金、石墨烯等其他材料的新型納米材料體系，并搭載一系列有效且可用于臨床治療的分子、蛋白及核酸片段，為臨床治療提供高效的骨組織再生材料。