清華大學材料學院孫曉丹課題組開發雙功能涂層解決種植體無菌性松動

清華大學材料學院孫曉丹課題組創新性提出通過雙向協同克服鈦金屬植入物的無菌性松動問題，通過鈦金屬表面牢固結合的PLGA@阿司匹林納米纖維涂層持續發揮促進骨整合和抑制炎癥性骨破壞的雙重功效，雙向破壞無菌性松動的惡性循環圈，促進人工關節假體表面改性方向的應用研究。

隨著人們對于人工骨關節置換需求的增加，急需開發更加有效的人工骨植入物。而目前人工骨植入物植入人體后往往面臨中長期的翻修手術，其主要原因在于植入物的無菌性松動問題。骨植入物上通過各途徑所產生的磨損顆粒脫離表面進入體液后，將激起體內巨噬細胞的“保護機制”，外在表現為無菌性的炎癥反應；此反應產生的細胞因子將參與破骨細胞的活化，最終導致植入物表面的真骨溶解，植入物松動（即無菌性松動）；松動的加劇導致更多的磨損顆粒進入體液，循環往復，最終面臨人工骨植入物的失效。

目前解決此問題的主流方法是單向通過抑制無菌性炎癥反應來降低無菌性松動的效果，但究其根本不能完全阻止磨損顆粒進入已存在的真骨與植入物之間的縫隙，所以加強植入物的骨整合效果或許是打破上述惡性循環的關鍵環節之一。

基于此，清華大學材料學院孫曉丹課題組和蘇州大學附屬第一醫院骨科林俊課題組合作，從“強骨整合”和“抗炎癥”兩個環節入手，利用靜電紡絲技術將負載阿司匹林（一種經典非甾體抗炎藥）的PLGA噴涂在聚多巴胺（PDA）修飾的鈦金屬表面，形成與鈦金屬基體結合牢固的PLGA@阿司匹林納米纖維涂層，該涂層可穩定持續釋放阿司匹林至少60天。體外細胞實驗表明，該涂層可以促進骨髓間充質干細胞（BMSCs）的增殖及成骨分化，同時還能抑制巨噬細胞的M1極化，以及RANKL誘導的破骨細胞活化。動物實驗也證實該納米纖維涂層可以顯著促進鈦金屬植入物的骨整合性能，并在磨損顆粒刺激下，有效抑制磨損顆粒誘導的植入物周圍骨溶解，維持植入物的骨整合性能。

此項工作在《生物材料》（Biomaterials）發表了題為“靜電紡PLGA@阿司匹林納米纖維涂層雙向協同克服鈦金屬植入物無菌性松動問題”（Dual directions to address the problem of aseptic loosening via electrospun PLGA @ aspirin nanofiber coatings on titanium）的研究論文。

圖1 動物實驗示意圖

圖2 micro-CT 3D重建圖像顯示鈦金屬植入物周圍骨生成情況

論文的共同第一作者是清華大學材料學院的本科生韋堯潔、碩士生劉中群和蘇州大學附屬第一醫院骨科的碩士生朱旭，清華大學材料學院的孫曉丹副研究員和蘇州大學附屬第一醫院骨科的林俊副研究員為該文章的共同通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120237

本文由作者團隊供稿。