JACS.：苏州大学-贻贝衍生的缩氨酸仿生设计用于双功能钛基生物材料

【引言】

钛及其合金由于它们良好的机械化学性能已广泛应用于生物材料，但是目前存在的共性问题就是钛的生物惰性以及缺少诱发指定细胞组织反应的生物活性。对于骨植入品，稳定的骨骼和植入品连接结构在植入早去决定着成败。因此，理想的Ti植入品应该具有好的生物活性，特别是能够诱发细胞粘连在一起增加牢固性和加速骨增长。

【成果简介】

近日，苏州大学杨惠林教授（通讯作者）、施勤副教授（通讯作者）和潘国庆博士（通讯作者）研发出一种具有生物活性的贻贝衍生的缩氨酸用于钛基复合材料的仿生设计，这种缩氨酸((DOPA)₄-G₄-GRGDS and (DOPA)₄-G₄-YGFGG)同时具有四价的苯邻二酚(DOPA)₄和一个甘氨酸G₄以及一个缩氨酸序列。其中，GRGDS主要用来指定细胞的粘连，RGD序列用于植入品德表面修复提高早期骨愈合，YGFGG则可促进骨生长。这种设计可以使得Ti表面拥有理想的生物活性并且利于骨的生长。

【图文导读】

图1 缩氨酸分子式示意图以及将钛植入品表面覆盖这种缩氨酸的过程示意图

(a)贻贝足缩氨酸(Mfp-1)分子式表明苯邻二酚在它们的两侧边

(b,c)贻贝衍生的缩氨酸苯邻二酚在两侧，GRGDS和YGFGG序列尾部

(d) 苯邻二酚和二氧化钛反应用于钛植入品表面修复

图2 实验图表分析显示二氧化钛表面提高了细胞的黏附率和增殖的行为

（a,b）在培养基中培育3小时后黏附的细胞在不同表面的形态（a）是无血清，（b）为有血清（FBS,10vol%）

（c,d）用DAPI等染色剂染色培育3小时和24小时后不同表面的平均细胞数量（c）和细胞黏附力（d）

（e）人骨髓源间叶干细胞（BM-MSCs）在不同表面的增殖统计图表。为了生物表面改性的优化，覆盖了二氧化钛后在PBS中以不同的比例(DOPA)4-G4-GRGDS and (DOPA)4-G4-YGFGG（例如，0：0，4：0，3：1，2：2，0：4，总浓度为0.01 mg.ML^-1）在室温下培育6小时。

图3 仿生缩氨酸治疗的二氧化钛表面显示出相对于没有治疗表面增加了成骨率的介绍图表

(a)将BM-MSCs经ALP染色后在诱导培养基中不同的表面培育7天的图像

(b)经茜素红染色21天在诱导培养基中培育的图像

(c)定量ALP后 BM-MSCs在诱导培养基中培育14天的图像

(d-f)定量茜素红染色矿物层，溶解在1%的盐酸溶液中，用分光光度计决定结果分别用（e）碱性磷酸盐（ALP）(f) 矮小相关的转录因素2 （RUNX2）

(g)Ⅰ型胶原蛋白 （COL1A1）

(h)骨钙素（OCN）在不同缩氨酸治疗表面成骨相关的基因表达

图4 缩氨酸治疗的螺丝钉相对于没有经缩氨酸覆盖的展示了成骨能力和机械稳定性能

(a)微型CT 3D重构图像

(b)根据在组织数量（TV）的骨体积（BV）分数定量地提升了骨生长

(c)甲苯胺蓝染色的钛螺钉的组织学图像

(d)骨植入品触点的平均组织形态学评估

(e)生物机械性能的拉拔测试结果

文献链接：Biomimetic Design of Mussel-Derived Bioactive Peptides for Dual-Functionalization of Titanium-Based Biomaterials（JACS,2016,DOI: 10.1021/jacs.6b09770)

本文由材料人编辑部生物材料组李伦供稿，材料牛编辑整理。

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