Progress in Materials Science | 新型生物材料設(shè)計理論:材料與生物學(xué)響應(yīng)機制
近日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院醫(yī)藥所人體組織與器官退行性研究中心潘浩波團隊在材料學(xué)頂尖期刊Progress in Materials Science 上,發(fā)表題為“Effects of Magnesium Alloy Corrosion on Biological Response- Perspectives of Metal-Cell Interaction”(鎂合金腐蝕對生物反應(yīng)的影響—金屬細胞相互作用)的前沿綜述,探討了鎂合金生物學(xué)響應(yīng)機制,為臨床可降解材料的應(yīng)用提供了全面的視角和發(fā)展目標。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院博士后Jua Kim是第一作者,潘浩波研究員是通訊作者。
論文線上截圖
全文連接:https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101039
鎂合金是可降解生物金屬,已被廣泛研究和報道,主要是因為鎂離子通過Wnt/β-連環(huán)蛋白和CGRP等主要信號通路刺激成骨和血管生成,因此在骨科和心血管領(lǐng)域被廣泛研究。然而,鎂合金的腐蝕或降解行為往往存在體外和體內(nèi)結(jié)果不一致,無法有效預(yù)測臨床結(jié)果,這給生物材料的設(shè)計和制造帶來了挑戰(zhàn)。因此,本文系統(tǒng)地報道了鎂的生物學(xué)性能是研究金屬與細胞之間生物相互作用的關(guān)鍵基礎(chǔ)。與所有金屬一樣,鎂腐蝕包括金屬的氧化和水和氧等氧化物質(zhì)的還原。雖然OH-和H2被認為是還原反應(yīng)的副產(chǎn)物,但通常忽略了反應(yīng)中間體,包括活性氧(ROS)、活性氮(RNS)、活性羰基(RCS)和活性硫(RSS)等。尤其ROS/RNS已被公認參與了細胞信號傳導(dǎo)、炎癥等。除了水或氧產(chǎn)生氫氣和氫氧根離子的主要還原反應(yīng)外,根據(jù)免疫細胞和基于氧化還原的生物分子的存在,生物學(xué)中還可能發(fā)生許多還原反應(yīng)。因此,生物材料在植入體內(nèi)后會面臨蛋白質(zhì)吸附和免疫細胞相互作用,這些都會影響可降解生物材料的降解方式,例如降解速率。反過來,伴隨金屬氧化的還原反應(yīng)可以顯著改變金屬表面附近的細胞/組織響應(yīng)。因此,鎂腐蝕是一種基于溶液化學(xué)參數(shù)和金屬細胞/金屬生物分子相互作用的復(fù)雜多因素現(xiàn)象。
此外,適度的堿性增加了成骨細胞的活力和活性,這可以改善新骨形成能力。前期的研究測量了鎂腐蝕過程中隨時間產(chǎn)生的氫氣體積,以及氫氣作為抗氧化劑影響細胞存活的潛在信號通路。但是,如果腐蝕速度過快,這些通過芬頓反應(yīng)產(chǎn)生類似反應(yīng)中間體的過氧化氫和羥基自由基將在局部組織附近快速積累,從而產(chǎn)生高堿性pH值和高氫氣體積微環(huán)境。已知堿性pH值大于8.5會產(chǎn)生不良影響,大量氫氣積聚會導(dǎo)致組織壞死。高濃度的反應(yīng)中間體也已知會導(dǎo)致細胞死亡并增加氧化應(yīng)激。然而,如前所述,在中等濃度下,氫氣可以是一種抗氧化劑,可以提高細胞存活率,而中等堿性pH值也可以對骨細胞產(chǎn)生積極影響,以增加成骨能力。此外,反應(yīng)中間體還可根據(jù)濃度發(fā)揮雙相作用,其中中低濃度可增強細胞活力/增殖、信號傳導(dǎo)和分化。由于這些還原物質(zhì)的濃度取決于腐蝕速率,因此控制腐蝕速率對于誘導(dǎo)所需的生物反應(yīng)至關(guān)重要,例如蛋白質(zhì)和免疫細胞。蛋白質(zhì)吸附是植入后幾毫秒內(nèi)發(fā)生的一種現(xiàn)象,它決定了材料的生物相容性,因為細胞與吸附在材料上的蛋白質(zhì)相互作用,而不是與裸材料表面相互作用。中性粒細胞和巨噬細胞等免疫細胞在數(shù)小時和數(shù)天內(nèi)到達,其中吞噬性巨噬細胞通過芬頓反應(yīng)攻擊金屬而增加金屬腐蝕。然而,這種作用不只是單向的,在巨噬細胞加速金屬腐蝕的同時,金屬也會影響免疫細胞,如巨噬細胞表型,其中M1被認為是促炎性的,而M2被認為是抗炎性的。然而,在金屬腐蝕過程中出現(xiàn)的巨噬細胞既沒有顯示M1或M2,也沒有顯示與M1或M2不同的表型。因此,我們需要更好地深入了解金屬腐蝕過程中免疫細胞與金屬的相互作用,因為導(dǎo)致慢性炎癥的急性炎癥會導(dǎo)致植入失敗。
到目前為止,許多研究使用ISO標準來測試生物材料的生物相容性。然而,ISO標準是基于惰性材料評判標準已無法有效評判可降解材料的微環(huán)境效應(yīng)。例如,包括用以制備培養(yǎng)細胞的提取介質(zhì)的提取方法不會使細胞暴露于鎂腐蝕速率的變化,而只是還原物種的最終濃度。此外,反應(yīng)中間產(chǎn)物是反應(yīng)性的,在腐蝕完成后不會影響細胞。直接接觸法可用于分析細胞-材料相互作用,以了解材料表面特性(例如表面化學(xué)、粗糙度、形貌、親水性/疏水性)如何影響細胞行為,如細胞附著、增殖和遷移。然而,大多數(shù)研究使用一個簡單的細胞培養(yǎng)系統(tǒng),包括一個在靜態(tài)體積中培養(yǎng)的細胞系的測試樣品。因此,許多鎂合金由于高pH值和滲透壓,即使在體內(nèi)發(fā)現(xiàn)它們是生物相容的,也被認為具有細胞毒性。此外,與金屬相互作用的單個細胞系不能準確地代表局部微環(huán)境,特別是免疫細胞發(fā)揮主要作用的早期階段。以這種方式,我們建議通過結(jié)合其他技術(shù)(如共培養(yǎng)和微流體)來改進體外系統(tǒng)和測試方法。雖然這些方法通常用于再生醫(yī)學(xué)等其他領(lǐng)域,但這些方法不用于測試生物材料和隨后的生物反應(yīng)。因此,這篇綜述對下一代生物材料體外測試中需要包含的基本電化學(xué)和生物參數(shù)做了重要的總結(jié),將對生物材料的設(shè)計和研發(fā)提出了新的思路。
該研究獲得科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和深圳市科創(chuàng)委基金重點項目等多個項目的支持。
圖1. 調(diào)控成骨生物信號
圖2. 鎂離子濃度調(diào)控細胞功能
附件下載: