Adv.Funct. Mater. 北京大学——“镂空”的β-磷酸三钙支架促进血管形成以及骨增长

成果简介：

在牙齿拔出后，不可避免的会出现齿槽嵴的再吸收以及齿槽骨水平和垂直方向的消失现象。这不仅影响美观，而且会因为骨体积小而对后续植入替代品带来了困难。为了改善这种情况，研究者们采用在拔除牙齿后立即植入替代品，但这种方法在后来的临床试验中由于供应困难、治愈的时间长、手术程序复杂等限制得不到很好的应用。后来出现的合成替代品广泛应用，但是它只能满足水平的骨骼生长而在垂直方向生长乏力，由于增长不到需要的骨体积，愈合的时间长，所以也不是理想的替代品。尽管研究者们在过去的数十年里在这方面做了很多探索，但是还是没有一个理想的选择。

近日，来自北京大学的姜婷教授（通讯作者）和佛罗里达大西洋大学的Yunqing Kang教授（通讯作者）等人使用模型浇注的方法，研发出了“镂空”的β-磷酸三钙（β-TCP）支架，并将其移植到兔子的下颌骨位置进行试验。他们发现没有“镂空”的同种支架，下颌骨的密度以及体积分数远离牙床的要比靠近牙床的低，这导致骨的低处血管形成不足。通过进一步研究，他们发现虽然毛细孔在运输营养和细胞中起到重要作用，但是由于毛细血管之间的最大距离到达200，仅仅依靠毛细孔把氧气和营养物质通过浓密的组织运输到需要的位置是不够的。因此研究团队研发了带有1mm小孔的支架可以完美解决这些问题。另外，许多研究表明，新血管的形成还与血管内皮细胞增长因素（VEDF）、纤维细胞增长因素(FGF)等有关。近期，某些研究证明来自于未成熟骨蛋白的骨形成肽-1序列（BFP-1）不仅可以提高骨再生长能力而且可以增加在内皮细胞的VEGF受体的表达。因此，研究团队将此序列加载到“镂空”的支架上，并通过实验证实可以激发垂直方向的血管向内生长。

该项独特的技术在生物医用替代品将有着光明的发展前景，为我国在此方面迈出了坚实的一步。

图文导读

图1 没有“镂空”和“镂空”的多孔支架的电子图像及对比曲线

a）:俯视的图像 b）:侧视的图像 c）:扫描电子显微镜下相互连通的毛细孔的形态 d）:四氧化三磷（PO43−）的降解曲线表明有孔洞的支架。比没有孔洞的支架降解要快 e）:开始的三天里，相对于没有孔洞的支架，有孔洞的支架提高了释放BFP-1的能力

图2 人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）的增殖和分化影响因素及对应关系图表

a):碱性磷酸酶褪色 b):茜素红染色表明hBMSCs形成红色钙化结节 c):油红O染色进一步证明hBMSCs可以分化进入脂肪细胞 d):细胞增殖图表表明忽略BFP-1的影响，有孔洞的支架可以在3—5天显著促进细胞增殖 e): BFP-1增加了hBMSCs碱性磷酸酶的活动，但是有无孔洞差别不大

图3 骨缺陷在没有植入支架、植入无孔洞支架以及有孔洞支架后的效果对比图

a):直径8mm、深度2mm的骨缺陷在比格犬的下颌骨中形成 b）：植入支架取出后深度变为4mm c）：显微镜图片显示在没有植入支架的12周后下颌骨出现凹陷 d）：植入没有孔洞的支架被明显吸收 e）：植入有孔洞的支架可以维持高度以便骨再生长

图4 苏木素和曙红染色后新形成骨的结构对比

植入的支架紧紧的固定在牙床上（从黄色的矩形框中可以看出三组图片的两种粉色之间并无太大差异，深色的代表牙床），并且没有证据显示三个样本中有炎症。但是可以明显的看出有孔洞的支架一组相对于其他两组在改善骨结构方面更好。

图5 形成血管的能力三组样本的对比图表

a):植入支架4周后，有孔洞的支架形成血管的数量明显高于其他两组 b):在牙床不同位置形成血管的数量显示出不同的差异

图6 维持骨再生高度的能力对比图表关系

a):显微CT图像显示有孔洞的支架可以位置再生骨的高度，而无孔洞的支架出现高度的降低 b,c):有孔洞的支架可以显著提高骨成型能力 d):三组样本的密度无明显差异

文献链接：Channeled β-TCP Scaffolds Promoted Vascularization and Bone Augmentation in Mandible of Beagle Dogs（Adv. Funct. Mater, 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602631）

本文由材料人生物材料小组李伦供稿，材料牛负责整理。

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