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骨缺損是臨床常見病癥，一般而言分為病理過程造成的骨缺損和人為因素所致的骨缺損。由于骨缺損的存在，常造成骨不連接、延遲愈合或不愈合及局部功能障礙。假體植入手術(shù)是治療大段骨缺損的首選辦法。

而植入人體內(nèi)的是人工合成材料，與天然的骨組織成分不完全一致，因此所有這些材料植入人體內(nèi)都會不同程度地產(chǎn)生異物反應(yīng)，這是人體免疫系統(tǒng)的一種自我保護(hù)作用。

近日，來自中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的研究人員在植入物表面構(gòu)建了具有免疫—成骨時序調(diào)控功能的可降解涂層，匹配術(shù)后的不同階段以促進(jìn)植入體與周圍骨組織之間建立穩(wěn)固整合。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《創(chuàng)新》（The Innovation）。

“自上而下”的修飾策略

采用人工植入材料進(jìn)行骨缺損修復(fù)是一個復(fù)雜的、受多重生理因素影響的級聯(lián)反應(yīng)過程，包括早期炎癥反應(yīng)和后續(xù)成骨修復(fù)這兩個相互關(guān)聯(lián)的階段。

與此同時，隨著研究的日益深入，越來越多的研究人員意識到免疫調(diào)控對骨缺損修復(fù)過程的重要性。然而，早期免疫調(diào)控所需要的材料表面性質(zhì)與后續(xù)成骨修復(fù)所需要的材料表面性質(zhì)并不完全相同。

“我們從中獲得啟發(fā)，希望在骨科植入材料表面構(gòu)建一個能夠在生理環(huán)境中緩慢降解的梯度功能涂層，進(jìn)而通過降解過程中功能組分的先后釋放來實(shí)現(xiàn)‘免疫—成骨時序調(diào)控’功能。”中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員王懷雨告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

為匹配骨組織再生修復(fù)過程中的兩個關(guān)鍵階段，研究團(tuán)隊(duì)采取“自上而下”的修飾策略。首先選用骨科植入常用的醫(yī)用高分子材料聚醚醚酮（PEEK）為基材，以可控降解的聚三亞甲基碳酸酯（PTMC）為涂層材料負(fù)載具有促成骨功能的地塞米松（DEX）；之后基于特色的等離子體浸沒離子注入（PIII）技術(shù)，在涂層表面接枝具有炎癥調(diào)控功能的細(xì)胞因子IL-10。

制得樣品后，團(tuán)隊(duì)再對PEEK表面復(fù)合涂層中的DEX和IL-10的釋放時間順序進(jìn)行研究。結(jié)果表明，涂層表面接枝的細(xì)胞因子IL-10能夠在7天內(nèi)完全釋放，而負(fù)載于涂層內(nèi)部的DEX的釋放周期達(dá)到了30天左右。

據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)推測，這種隨時間順序先后釋放兩種不同功能組分的方式，能夠更好地匹配植入物在體內(nèi)的早期炎癥反應(yīng)以及后續(xù)的成骨修復(fù)過程。

為了驗(yàn)證“免疫—成骨時序調(diào)控”策略的有效性，研究團(tuán)隊(duì)分別進(jìn)行了體外細(xì)胞培養(yǎng)和動物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)，結(jié)果進(jìn)一步佐證了復(fù)合功能新涂層的免疫—成骨調(diào)控作用能夠更好地匹配骨缺損修復(fù)的時序過程。

傳統(tǒng)材料換“新裝”

目前，植入人體內(nèi)的人工材料主要包括金屬、無機(jī)非金屬和有機(jī)高分子材料三大類，對應(yīng)于骨科植入材料則為鈦合金、羥基磷灰石、PEEK等。

其實(shí)，骨科植入材料在國外同樣屬于比較熱門的研究方向，但大多數(shù)研究均聚焦于組織工程支架（3D打印、靜電紡絲等）這一方面。而對于大段骨缺損修復(fù)來說，植入材料的力學(xué)性能具有較高要求，一般的骨組織工程支架往往難以滿足。

因此，研究團(tuán)隊(duì)將目光聚焦于對具有優(yōu)異力學(xué)性能并且已經(jīng)應(yīng)用于臨床的傳統(tǒng)骨科植入材料（醫(yī)用鈦合金、PEEK等）進(jìn)行表面功能修飾，在保留植入材料本身優(yōu)異力學(xué)性能的同時賦予其一定的功能?；谶@一策略研發(fā)的新型骨科植入材料更加適合實(shí)際應(yīng)用。

這是首篇針對植入材料表面“免疫—成骨時序調(diào)控”的研究論文。“我認(rèn)為這能夠給其他關(guān)于骨科植入材料的研究工作帶來一定的啟發(fā)，綜合考慮植入材料周圍的免疫—成骨級聯(lián)反應(yīng)過程，而且我們的涂層制備方法較為簡便且適用于不同材質(zhì)的生物材料，有望為其他生物材料表面功能構(gòu)建研究提供有效借鑒。”王懷雨對記者表示。

未來應(yīng)用場景將具體化

記者在采訪中了解到，實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員也曾遇到很多困難，但最終依靠團(tuán)隊(duì)的力量，將難關(guān)一一攻克。

“我們在研究中所選擇的涂層材料為PTMC，但在后續(xù)進(jìn)行體外模擬降解實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)所制備的涂層在磷酸鹽緩沖液中降解非常緩慢，和其在動物體內(nèi)的降解過程不匹配。后來，通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，PTMC涂層的降解需要脂肪酶參與，我們由此解決了這一問題。”該研究第一作者、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究助理謝靈霞告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

再如，在涂層表面接枝細(xì)胞因子IL-10的過程中，王懷雨團(tuán)隊(duì)希望能夠盡可能地避免使用化學(xué)交聯(lián)劑，后來他們基于氣體PIII處理對涂層表面的“活化”作用，最終得以實(shí)現(xiàn)以linker-free的方式在涂層表面負(fù)載生物分子。

新型骨科植入材料的研究與開發(fā)需要對骨缺損修復(fù)的免疫—成骨級聯(lián)反應(yīng)過程進(jìn)行綜合考慮。為此，基于現(xiàn)有研究，“我們團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步深入開展骨科植入材料表面‘免疫—成骨時序調(diào)控’方面的研究，并將應(yīng)用場景進(jìn)一步具體化，例如針對骨質(zhì)疏松患者的骨代謝失衡、新骨生成能力弱等問題展開梯度功能涂層的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。”王懷雨表示。