骨關(guān)節(jié)炎是臨床上造成軟骨缺損的一種常見疾病。由于軟骨缺乏自我修復(fù)能力,導(dǎo)致軟骨修復(fù)存在巨大挑戰(zhàn)。此外,軟骨缺損通常累及軟骨下骨,進而造成骨-軟骨缺損。由于軟骨與軟骨下骨具有不同的生理學(xué)功能,傳統(tǒng)模式通常利用具有多層結(jié)構(gòu)的生物活性材料仿生骨-軟骨的生理結(jié)構(gòu),但是存在層級結(jié)構(gòu)不理想等問題。因此制備一種在生理學(xué)上同時滿足骨-軟骨缺損中骨-軟骨一體化修復(fù)的單相支架極具挑戰(zhàn)。此外,生物活性無機材料目前主要應(yīng)用于骨骼、牙齒等硬組織的修復(fù)與再生,但是在軟骨的修復(fù)與再生方面還缺乏研究。為此,本論文將無機活性離子與生物陶瓷相結(jié)合,采用三維打印技術(shù)制備了具有骨-軟骨一體化修復(fù)作用的單相多孔生物活性陶瓷支架,進一步研究其體內(nèi)外成骨及軟骨相關(guān)生物學(xué)效應(yīng),并在此基礎(chǔ)上探究了從單一活性離子到多離子協(xié)同促進軟骨修復(fù)及保護關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞的作用機制,為無機材料用于骨-軟骨修復(fù)提供可行性依據(jù)。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:1.基于錳(Mn)元素對維持骨與軟骨正常發(fā)育的積極作用,以及β-磷酸三鈣(β-TCP)良好的生物相容性,通過共沉淀法合成了Mn-TCP生物陶瓷粉體,并利用三維打印技術(shù)制備了Mn-TCP生物陶瓷支架。Mn元素的加入顯著降低了β-TCP生物陶瓷的晶相轉(zhuǎn)變溫度及晶胞參數(shù),三維打印Mn-TCP生物陶瓷支架相比于同種方法制備的β-TCP支架,具有更高的抗壓強度及更優(yōu)越的降解性能。體外研究發(fā)現(xiàn),Mn-TCP生物陶瓷粉體離子產(chǎn)物通過激活缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)信號通路促進軟骨細(xì)胞的增殖和成熟,通過Mn離子和Ca離子協(xié)同作用誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和成骨分化;并通過抑制關(guān)節(jié)炎環(huán)境下的軟骨細(xì)胞內(nèi)降解代謝活動保護軟骨細(xì)胞;同時體內(nèi)研究結(jié)果表明,Mn-TCP支架具有骨-軟骨一體化修復(fù)的雙向生物學(xué)功能特性。2.基于單一活性離子對骨-軟骨缺損修復(fù)的促進作用的研究,本章進一步通過多離子聯(lián)合作用對骨-軟骨缺損一體化修復(fù)的促進作用進行探究。結(jié)合鋰元素和硅酸鈣的成骨誘導(dǎo)作用,本研究首次通過溶凝膠法合成純晶相的硅酸鈣鋰(Li2Ca2Si2O7,LCS)生物陶瓷,并利用三維打印技術(shù)得到結(jié)構(gòu)形貌均一的多孔LCS生物陶瓷支架。體外研究結(jié)果表明,LCS生物陶瓷粉體的離子產(chǎn)物對軟骨細(xì)胞的增殖和表型維持具有促進作用,對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化起明顯的誘導(dǎo)作用。進一步研究表明,Li和Si離子通過共同作用激活軟骨細(xì)胞HIF信號通路,誘導(dǎo)軟骨的增殖及維持其表型;Li和Si離子通過共同抑制IHH信號通路及降低細(xì)胞內(nèi)降解代謝活動保護軟骨細(xì)胞。同時在兔膝關(guān)節(jié)骨-軟骨缺損模型中,LCS支架顯示骨和軟骨一體化修復(fù)的雙向生物學(xué)效應(yīng)。LCS生物陶瓷支架是一種利用多種生物活性離子的共同作用治療骨關(guān)節(jié)炎造成的骨-軟骨缺損的智能策略。3.基于多離子對骨-軟骨缺損修復(fù)的共同作用的研究,為了更進一步探究多離子對骨-軟骨及其界面修復(fù)的積極作用,本研究利用固相法合成能持續(xù)釋放骨-軟骨有益元素鍶(Sr)和硅(Si)離子的硅磷酸鍶(Sr5(PO4)2Si O4,SPS)生物陶瓷,并通過三維打印方法制備結(jié)構(gòu)均一,形貌高度可控的SPS生物陶瓷支架。體外研究結(jié)果顯示,SPS生物陶瓷離子產(chǎn)物具有促進軟骨細(xì)胞增殖及誘導(dǎo)軟骨特異性基因與蛋白的表達的作用。進一步研究顯示,Sr和Si離子通過協(xié)同作用激活軟骨細(xì)胞內(nèi)HIF信號通路,促進軟骨細(xì)胞增殖及維持其表型;在關(guān)節(jié)炎模型軟骨細(xì)胞中,Sr和Si離子通過激活軟骨細(xì)胞內(nèi)自噬作用和抑制IHH信號通路保護軟骨細(xì)胞免受降解。同時體內(nèi)研究結(jié)果表明,SPS支架具有顯著促進骨和軟骨及其界面一體化修復(fù)的生物學(xué)特性。綜上所述,本論文通過將活性離子結(jié)合到生物陶瓷體系中,對無機生物陶瓷材料促進骨-軟骨一體化修復(fù)進行探究,結(jié)合活性離子對骨-軟骨修復(fù)的有益作用及三維打印技術(shù),有效構(gòu)建大孔結(jié)構(gòu)和形貌高度可控并具雙向生物學(xué)性能的生物陶瓷支架材料,得到的多孔生物陶瓷支架在骨-軟骨復(fù)雜組織一體化修復(fù)方面具有良好的促進作用,為無機材料在骨-軟骨缺損一體化修復(fù),尤其軟骨修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的研究思路。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB321;R318.08
【部分圖文】：

圖 1.1 軟骨細(xì)胞在軟骨組織中分布及骨-軟骨界面構(gòu)成示意圖[8]。Figure 1.1 Distribution of chondrocytes in cartilage tissue and composition of the interface becartilage and subchondral bone[8]..2 軟骨下骨軟骨下骨（Subchondral Bone）是位于軟骨下方的骨骼組織，具有承受來自軟負(fù)荷，緩沖機械負(fù)荷對關(guān)節(jié)震蕩，保持關(guān)節(jié)正常形態(tài)的作用[11-13]。同時，軟骨通過鈣磷等元素的不斷更新參與機體新陳代謝，支持軟骨再生，促進軟骨修復(fù)骨組織包含骨細(xì)胞（Bone Cell）和骨基質(zhì)（Bone Matrix），與軟骨組織不同的下骨組織的骨基質(zhì)又可分為有機質(zhì)和無機質(zhì)，其中有機質(zhì)的大部分為骨膠原one Collagen），其余主要由蛋白多糖及其聚集體構(gòu)成。軟骨基質(zhì)中有機質(zhì)占絕而軟骨下骨基質(zhì)中則以無機質(zhì)為主，其質(zhì)量約為軟骨下骨的 60-70%，主要以石結(jié)晶和無定形的膠體磷酸鈣為主。

骨-軟骨復(fù)雜組織修復(fù)生物活性無機材料的制備及性能研究軟骨下骨之間，可以緩沖來自軟骨的應(yīng)力；同時在軟骨鈣化。于軟骨和軟骨下骨及其界面的不同生理學(xué)結(jié)構(gòu)和特要實現(xiàn)有效骨-軟骨一體化修復(fù)，不僅要求材料具有同時誘導(dǎo)新骨生成，并且刺激骨-軟骨界面修復(fù)，，在材料設(shè)計上，常規(guī)的軟骨或軟骨下骨單一體系此，對骨-軟骨組織修復(fù)材料體系的生物學(xué)功能有極

圖 1.3 基于組織工程策略的支架材料應(yīng)用于骨-軟骨組織再生的基本模式[64]。Figure 1.3 Fundamental mode of tissue engineering scaffolds for osteochondral regeneration[64]骨-軟骨組織工程支架成功構(gòu)建的標(biāo)志有：組織相容性好，生物可降解，具有生物活性、相互連通的多孔結(jié)構(gòu)以及與原生組織結(jié)構(gòu)相匹配的力學(xué)性能[43, 65]。成功構(gòu)建骨-軟骨組織工程支架必備的三要素是種子細(xì)胞，生長因子及支架材料。支架材料作為種子細(xì)胞和生長因子的載體，可將上述二者攜帶至缺損部位，同時支架材料還可以為新生組織提供支撐，是骨-軟骨組織工程支架的關(guān)鍵因素，也是目前研究熱點。種子細(xì)胞和生長因子來源于動物體，其使用涉及安全及倫理問題，還需漫長的探索及認(rèn)證[66]。而來源于無機質(zhì)的生物活性營養(yǎng)元素，來源廣泛，獲取方便，不涉及倫理問題，且微量的生物活性營養(yǎng)元素在軟骨和軟骨下骨組織代謝中起著重要的作用，因此備受關(guān)注，同時也為骨-軟骨組織工程材料的設(shè)計提供新思路。

本文編號：2823300