孙晓丹课题组开发双功能涂层解决种植体无菌性松动

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近日，清华大学材料学院孙晓丹课题组创新性提出通过双向协同克服钛金属植入物的无菌性松动问题，通过钛金属表面牢固结合的PLGA@阿司匹林纳米纤维涂层持续发挥促进骨整合和抑制炎症性骨破坏的双重功效，打破双向破坏无菌性松动的恶性循环圈，促进人工关节假体表面改性方向的应用研究。
       随着人们对于人工骨关节置换需求的增加，急需开发更加有效的人工骨植入物。而目前人工骨植入物植入人体后往往面临中长期的翻修手术，其主要原因在于植入物的无菌性松动问题。骨植入物上通过各途径所产生的磨损颗粒脱离表面进入体液后，将激起体内巨噬细胞的“保护机制”，外在表现为无菌性的炎症反应；此反应产生的细胞因子将参与破骨细胞的活化，最终导致植入物表面的真骨溶解，植入物松动（即无菌性松动）；松动的加剧导致更多的磨损颗粒进入体液，循环往复，最终面临人工骨植入物的失效。
       目前解决此问题的主流方法是单向通过抑制无菌性炎症反应来降低无菌性松动的效果，但究其根本不能完全阻止磨损颗粒进入已存在的真骨与植入物之间的缝隙，所以加强植入物的骨整合效果或许是打破上述恶性循环的关键环节之一。
       基于此，清华大学材料学院孙晓丹课题组和苏州大学附属第一医院骨科林俊课题组合作，从“强骨整合”和“抗炎症”两个环节入手，利用静电纺丝技术将负载阿司匹林（一种经典非甾体抗炎药）的PLGA喷涂在聚多巴胺（PDA）修饰的钛金属表面，形成与钛金属基体结合牢固的PLGA@阿司匹林纳米纤维涂层，该涂层可稳定持续释放阿司匹林至少60天。体外细胞实验表明，该涂层可以促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的增殖及成骨分化，同时还能抑制巨噬细胞的M1极化，以及RANKL诱导的破骨细胞活化。动物实验也证实该纳米纤维涂层可以显著促进钛金属植入物的骨整合性能，并在磨损颗粒刺激下，有效抑制磨损颗粒诱导的植入物周围骨溶解，维持植入物的骨整合性能。
      此项工作在《生物材料》（Biomaterials）发表了题为“静电纺PLGA@阿司匹林纳米纤维涂层双向协同克服钛金属植入物无菌性松动问题”（Dual directions to address the problem of aseptic loosening via electrospun PLGA @ aspirin nanofiber coatings on titanium）的研究论文。

图1  动物实验示意图

图2  micro-CT 3D重建图像显示钛金属植入物周围骨生成情况

       论文的共同第一作者是清华大学材料学院的本科生韦尧洁、硕士生刘中群和苏州大学附属第一医院骨科的硕士生朱旭，清华大学材料学院副研究员孙晓丹和苏州大学附属第一医院骨科副研究员林俊为论文的共同通讯作者。
       论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120237
       供稿：材料学院
       编辑：李华山
       审核：程曦


       文章来源：清华大学
       孙晓丹，清华大学教师，2015年清华大学青年教师教学优秀奖获得者。研究领域：1、 自组装制备纳米材料；2、 生物医用材料；3、 太阳能电池材料。