微量摻鍶材料在骨修復領域的應用

穆君宇 侯 沙 彭 雨 蘭 梁 程麗佳

鍶(strontium，Sr)不僅是骨骼和牙齒的正常成分，也是人體必需的微量元素，參與人體生理生化反應[1]。體內外研究表明，鍶可以促進成骨細胞的形成，刺激骨發育和生長[2]。近年來研究發現，Sr可通過激活多個干細胞成骨相關信號通路(如BMP/Smad、MAPK、Akt/β-catenin、Wnt信號通路)使材料在促進骨缺損修復方面發揮更好的作用[3,4]。因此，本文就目前的摻鍶復合支架及其機制做一綜述。

一、機 制

1.鍶在巨噬細胞中的成骨效應：骨的愈合是機體精密調控的結果，包括炎癥、免疫調節、血管的生成、骨組織的增殖分化和生物礦化。早期時盡早緩解急性炎性反應和創造良好的局部免疫環境將有利于后期的成骨。因此，巨噬細胞及其相關免疫應答在成骨的過程中起著非常重要的作用。巨噬細胞可分M1型和M2型。既往研究認為，M1型的巨噬細胞會誘導破骨細胞生長。然而，近年來有研究證實，M1型在早期的血管生成和骨整合中也起著重要作用。Guihard等[5]研究發現，炎性M1型巨噬細胞可以通過抑瘤素M誘導骨髓間充質干細胞成骨。除了M1型巨噬細胞外，傳統的骨免疫學也表明M2型巨噬細胞與成骨密切相關，有研究發現誘導M2型極化的生物材料能促進骨形成[6]。Lou等[7]研究發現，緩慢釋放的鍶可使M1型巨噬細胞極化為M2型巨噬細胞。M2型巨噬細胞通過分泌TGF-β和BMP2使成骨基因的表達上調，從而促進新骨的形成。Xu等[8]研究發現，摻鍶材料的體內外實驗表明，鍶會使M1型巨噬細胞的極化受到抑制，而向M2型極化，對骨髓間充質干細胞的成骨分化有積極作用。

2.鍶在干細胞中的成骨效應：干細胞是一種能多向分化、有很強自我繁殖和更新能力的細胞。向其中加入微量元素鍶，來促進干細胞分化成骨也早有報道[9]。鍶可以通過驅動干細胞遷移來啟動再生能力，同時鍶能刺激成骨相關的表型標志物，增加其表達從而促進干細胞向成骨細胞系分化增殖。除此以外，還有研究報道，鍶可通過激活MAPK和PI3K/Akt信號通路，促進間充質干細胞的增殖和成骨分化[11,12]。這一過程受到不對稱干細胞分裂(ACD)過程的精確調控。盡管鍶對成骨分化的促進作用已被深入研究，但我們對其在調節ACD中的作用卻知之甚少，不對稱干細胞分裂對于細胞多樣性的產生和組織內穩態的維持至關重要[9，10]。這些結果揭示了鍶引發的不對稱細胞分裂在骨再生過程中維持成骨分化和骨干性之間平衡的重要性。

3.Wnt/β-catenin途徑：Wnt信號通路是配體蛋白Wnt和相應的膜受體蛋白結合以后，激發多下游通道的一種信號途徑，β-catenin是可以調節基因表達的多功能蛋白質。通過這個途徑，細胞外的信號會傳到胞內。鍶可以激活細胞膜表面的Ca2+受體，通過CN-NFAT途徑增強WNT3a的表達，進而激活典型的Wnt/β-catenin途徑。鍶還可以上調FZD受體家族Wnt5a和Ror2/Ryk共受體的表達，并通過非典型的Wnt途徑調節下游RhoA-、JNK-和Ca2+依賴的信號通路，從而促進成骨細胞的增殖和分化[13]。

4.OPG/RANK/RANKL系統：RANK是NF-κB受體激動劑，RANKL是一種可以激活破骨細胞，促進骨組織吸收的一種膜蛋白[14]。OPG是骨保護素，OPG在成骨細胞中的表達可阻斷RANK及其配體的相互作用，而鍶能通過調節OPG的表達來抑制破骨細胞[15]。Wang等[16]研究發現，鍶在抑制鈦顆粒誘導的細胞凋亡的同時，還能調節RANKL和OPG的表達。

5.其他：除了以上所提及的相關機制外，有研究發現，鍶摻雜通過早期改善自噬和晚期激活Akt/mTOR信號通路。Zhang等[17]研究發現，在成骨分化的早期和晚期分別給予自噬抑制劑和Akt/mTOR通路抑制劑可顯著抑制干細胞的成骨分化作用。還有研究發現了Notch信號通路，該通路參與了骨髓間充質干細胞的成骨分化過程[18]。除此以外，還有NFATc1信號通路、Hedgehog/膠質瘤相關癌基因蛋白1通路、Smad通路、鈣敏感受體等。

二、摻鍶的復合材料

臨床上骨缺損通常合并骨質疏松和關節炎等疾病，鍶已經被證實有著優異的促骨形成能力并能加速血管再生，還可以促進成骨細胞的生成以及軟骨再生。近年來，多項研究積極將鍶和傳統的一些生物材料進行結合，多數結果顯示，鍶的摻入極高的提升了成骨能力并且有一定的抑菌效果。例如Zhang等[19]通過微弧氧化技術加入了鍶和銀，使得TiO2涂層有良好的抗菌活性和成骨能力。但未對具體機制進行詳細闡述，因此，還需要進一步的研究以更好地闡明摻鍶生物材料在骨修復中的作用機制。

1.骨水泥：可注射骨水泥具有良好的生物相容性、生物靈感特性和微創釋放能力。骨水泥廣泛應用于骨科和牙科手術。含鍶藥物在各種臨床環境中作為全身成骨細胞激活藥物，促進骨質疏松骨的機械穩定性能夠適應不同的骨缺損創面。Dai等[20]研究發現，鍶-羥基磷灰石水泥具有良好的生物相容性，對細胞增殖毒性低，并且對MC3T3細胞的成骨分化有一定的促進作用。

除了直接摻入以外，Sun等[21]研制了一種新型鍶-磷酸鈣骨水泥。該摻鍶骨水泥表現出了優異的細胞相容性和良好的抗壓能力。此外，多數動物實驗結果反饋良好，在去卵巢的大鼠脛骨缺損(骨質疏松模型)上，摻鍶鍶骨水泥在皮質和周圍的骨小梁區域顯示出巨大的骨再生潛力，包括增加骨體積和密度，增加促骨蛋白的產生，增加成骨細胞的數量，減少破骨細胞性骨吸收的跡象[22]。摻鍶磷酸鈣骨水泥在大鼠顱骨缺損模型有明顯的新骨形成。在大鼠皮下植入模型中，骨水泥還顯示出皮下結締組織新生血管的增強作用[23]。

2.生物活性玻璃：生物活性玻璃(BGs)在骨修復支架結構中的應用越來越受到關注。BGs中可以摻雜不同的金屬離子，以引起特定的生物反應賦予材料額外的功能特性。在這些離子中，鍶被認為是一種有效且安全的摻雜元素，具有良好的骨形成和再生作用以及優異的抗菌作用，因此被廣泛應用于生物活性玻璃。Baheiraei等[24]研究發現，金屬Sr取代鈣離子后，摻鍶的生物活性玻璃支架的新生骨面積和成骨面積均大于未摻鍶的生物活性玻璃，并且對于金黃色葡萄球菌具有更顯著的抑菌效果。而Zhao等[25]研究發現，摻鍶濃度的不同顯著影響生物活性玻璃的效果，其中5%摻鍶生物活性玻璃支架具有較高的體外生物活性、細胞增殖和抗菌性能，具有明顯的促細胞增殖作用，且無細胞毒性。除了單獨將微量元素鍶摻入BGs中外，鍶由于其良好的體外生物活性和銀(Ag)共同摻入介孔生物活性玻璃顆粒(MBGNs)后，不僅對肉芽葡萄球菌和大腸桿菌均有較強的抑菌作用，而且合成的Ag-Sr MBGNs在模擬體液(SBF)中浸泡后形成類磷灰石晶體，顯著提高其體外生物活性[26]。而在體外細胞培養過程之中，Borciani等[35]將富鍶介孔生物活性玻璃的Ⅰ型膠原與人骨小梁來源的成骨細胞和黃褐色涂層來源的成骨細胞前體進行間接共培養2～3周，成功地支持了細胞的存活、黏附和分化。

3.生物活性涂層：傳統的大多數金屬支架(例如鈦和鈦合金)屬于生物惰性材料，這類材料最常見問題是細菌感染和缺乏快速骨結合的成骨能力。為了彌補材料的缺點，多項研究采用了鍶和其他離子共摻入合成涂層的方法，有效彌補了金屬支架容易產生細菌感染和缺乏成骨能力的缺點。Zhang等[28]將通過微弧氧化(MAO)技術在多孔TiO2涂層中同時摻入鍶和銀。結果顯示，Sr和Ag的加入使TiO2涂層具有較強的抗菌活性和成骨能力。Park等[29]則通過化學浸漬的方法在可生物降解鎂表面制備鍶帽涂層試樣。結果表明，與純鎂比較，鍶帽包覆鎂的耐蝕性有所提高。此外，還證實了含Sr組的生物相容性得到了提高。除了傳統的金屬支架以外，近年來，多項研究嘗試在一些已被證實具有骨誘導性的材料上進行摻鍶涂層。Geng等[30]體外實驗表明，在高pH值條件下，Sr的存在有利于MSCs的黏附、鋪展、增殖和成骨分化。此外，鍶替代磷灰石涂層可明顯抑制破骨細胞的分化和融合。體內實驗表明，納米針狀鍶替代磷灰石涂層能抑制破骨活性，促進新骨形成，促進骨-種植體結合。

4.生物陶瓷玻璃：在骨組織工程中，生物可降解陶瓷支架能夠原位輸送有利于骨形成的離子物種，受到越來越多的關注。近年來，許多研究嘗試將鍶加入生物陶瓷支架中。Zhao等[31]比較了傳統的羥基磷灰石生物陶瓷+雷尼酸鍶和摻鍶的羥基磷灰石生物陶瓷，結果表明在缺損區和種植體-骨間隙區域誘導了更多的新骨形成。Golafshan等[32]采用機械合金化的方法制備了鍶修飾氟磷灰石(Sr-FAP)、鎂和二氧化硅改性氟磷灰石(Mg-SiFAp)納米粉體。結果表明，摻雜元素可使Sr-FAP和Mg-SiFAp的結晶度(56%)分別降至45%和39%以下。此外，體外研究表明，與Mg-SiFAp比較，在成骨和正常培養21天后，Sr-FAP顯著促進了hMSCs的成骨分化。

5.其他：除了將鍶摻入以上材料外，近年來部分研究也在積極探索鍶同其他材料結合的效果。Wang等[33]采用超聲共沉淀法制備了不同濃度含鍶摻雜羥基磷灰石/絲素蛋白(SrHA/SF)生物復合納米，體外細胞培養顯示高濃度鍶納米球對骨髓間充質干細胞(MSCs)的生物相容性沒有負面影響，同時提高了MSCs的活性，并且具有更高的成骨分化潛能。而Wong等[34]則采用模壓成型工藝制備了含鍶羥基磷灰石(Sr-HA)的摻雜量為15%～30%的聚醚醚酮(PEEK)聚合物基體，結果表明含鍶羥基磷灰石形式存在的鍶可以增強聚醚醚酮復合材料的生物活性。

三、展 望

鍶可以調整骨骼的代謝狀態，提高骨形成能力，影響骨代謝。對骨代謝的影響離不開通過各種蛋白、通路、細胞因子等對成骨細胞，破骨細胞及干細胞，巨噬細胞等的作用，從而表現出鍶對骨組織的形成有促進作用的表現，其機制往往是復雜而交錯的，各個部分相互合作，相互制約，一起維持骨組織的穩定。同時，對摻鍶生物復合材料的研發和研究也很多，可以發現，相較于原材料而言，一方面微量鍶的摻入可以提高生物材料的成骨效果和血管化過程，能夠為骨誘導提供更有效和快速的方法。另一方面，微量鍶的摻入也顯著提高了材料的骨整合效果，摻鍶材料良好的抑菌效果和對鍶的釋放效果提高了材料植入部位的骨量。Webster等[45]研究發現，與生物材料的表面化學成分比較，成骨細胞的黏附可能更依賴于材料表面的物理形貌。所以對于由于材料表面不同的物理形態而造成不同成骨效果仍然需要進一步的研究，同時由于目前大部分的摻鍶生物材料主要聚焦于其整體材料的制備過程，對于材料的生物性實驗和其安全性也需要進一步的研究。