具有良好降解能力和抗菌活性的含锌硅磷酸钙

开发具有良好可降解性以及成骨、抗菌活性的生物陶瓷支架是骨修复领域的一大难题。最近，上海师范大学的宁聪琴教授团队以及海军军医大学的刘忠堂教授团队合作开发了一种集成骨、抗菌以及良好可降解性于一体的含锌硅磷酸钙支架（Zn-CPS），对感染性骨缺损的治疗效果显著。

硅元素（Si）有利于成骨细胞分泌胶原纤维从而促进矿化，同时，锌元素（Zn）具有抗菌以及促进破骨细胞凋亡的能力。因此，研究者用氧化锌（ZnO）对硅磷酸钙（CPS）进行改性，提高了材料的力学强度，赋予了材料良好的抗菌以及成骨能力，并使材料的可降解性得到了改善。

研究者采用溶胶-凝胶法制备了CPS支架，探究不同浓度下ZnO（0wt%、1wt%、3wt%、5wt%）改性的CPS支架的可降解性。SEM图像显示，随着ZnO浓度的升高，支架表面致密化程度越来越高（图1a），并且支架降解率下降（图1b）。但体内降解试验结果与体外相反，在植入大鼠颅骨缺损12周后，随着ZnO浓度的升高，支架的降解率升高（图1c）。

接着，研究者探究了Zn-CPS支架对蛋白吸附能力。研究者将ZnO-CPS支架浸入含10%FBS的PBS溶液中，与CPS支架相比，ZnO-CPS支架能吸附更多的蛋白（图2d）。COMP、CHAD、COL2A1等在ZnO-CPS支架上的含量高于CPS支架（图2f、h），而这些蛋白参与调节PI3K-Akt信号通路并促进骨再生。

随后，为验证ZnO-CPS支架的抗菌性能，研究者将支架浸入CFU/ml的金葡菌悬浮液中培养4天，通过支架和细菌悬浮液的荧光强度检测结果（图3a）发现，ZnO浓度和支架的抗菌效果成正比，说明ZnO浓度的提升能够显著增强ZnO-CPS支架的抗菌性能。

研究者在不同支架上培养大鼠骨髓源间充质干细胞（rBMSCs），通过SEM和共聚焦显微镜的观察（图4a、b）以及CCK-8试验结果（图4c）发现，ZnO浓度越高，细胞的增殖和黏附效果越好。说明ZnO-CPS支架更有利于细胞生长，提高了支架的生物相容性。

研究者用不同支架培养rBMSC后检测成骨相关基因的表达。PCR结果表明，培养7天、14天后，随着ZnO浓度的升高，成骨相关基因BMP-2、OPN、Runx-2、ALP和OCN的表达水平也升高，由此可见，ZnO-CPS支架可以促进rBMSC的成骨分化（图5）。

随后，研究者将不同的支架植入到大鼠颅骨缺损处，探究支架的体内骨修复效果。12周后的Micro-CT和3D重建图像结果（图6）和体外结果一致，证实了ZnO-CPS支架对促骨再生的积极作用。

最后，如图7所示，Masson染色和HE染色的结果显示，随着支架ZnO含量的增加，支架的骨再生效果也随之增强，说明ZnO-CPS支架能显著促进骨再生。

针对Zn-CPS支架体内外降解趋势的不同，研究者认为这可能是体内和体外微环境的不同导致的，尤其是体内细胞外液中的蛋白质对于材料的降解可发挥较大的作用。综上所述，Zn-CPS支架不仅具有较好的抗菌能力，而且具有较强的成骨能力和一定可降解性，在骨修复材料方面具有广阔的应用前景。

该研究由上海师范大学的宁聪琴教授团队以及海军军医大学的刘忠堂教授团队合作完成，并于年3月8日在线发表于ApplMaterToday。

论文信息：

FanyanDeng,ZihengBu,HongxingHu,XuanHuang,ZhongtangLiu*,CongqinNing*.BioadaptableboneregenerationofZn-containingsilicocarnotitebioceramicswithmoderatebiodegradationandantibacterialactivity.ApplMaterToday,Doi:org/10./j.apmt...

供稿：董立

审校：陈嵩

编辑：王欢