持续释放Sr2+的纳米多孔钛植入物通过重塑免疫微环境促进骨整合

《Materials Today Advances》：Nanoporous titanium implant functionalized with sustained strontium release orchestrates immune microenvironment for enhanced osseointegration

　　

目的：骨整合（osseointegration）不足仍是牙科和骨科植入物的主要限制。本研究旨在开发一种释放锶（Sr）的纳米多孔钛表面（TDS），其具有改善的界面稳定性和免疫调节能力，以促进植入物骨整合。
方法：通过阳极氧化（anodization）制备纳米多孔钛表面，并因其较纳米管结构更高的界面稳定性而选择该结构。随后利用聚多巴胺（polydopamine, PDA）介导的配位作用将锶固定于纳米多孔表面。对表面性质和锶释放进行表征。体外评价巨噬细胞极化（macrophage polarization）以及TDS调控的免疫微环境对小鼠骨髓间充质干细胞（mouse bone marrow mesenchymal stem cells, mBMSCs）成骨分化和人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）血管生成活性的影响。研究人员进行额外实验以评估TDS对成骨和血管生成反应的直接作用。在大鼠股骨髁缺损（rat femoral condyle defect）模型中检查骨整合，并进行巨噬细胞转录组分析（transcriptomic profiling）。
结果：TDS保持均匀的纳米多孔形态，表现出良好的亲水性，并提供持续锶释放。其促进巨噬细胞向抗炎M2表型极化并减少促炎反应。TDS调控的免疫微环境显著增强成骨分化和血管生成活性，而材料直接作用提供额外支持。体内实验进一步证实，TDS植入4周和8周后骨缺损区域获得满意骨整合。转录组分析鉴定出与免疫调节、炎症反应和血管生成相关的基因表达变化。
结论：总体而言，本研究为开发具有改善骨整合的免疫调节钛植入物提供了实验证据和实用设计策略。

钛及其合金因力学性能和生物相容性广泛用于牙科和骨科植入物，但部分植入物仍因无菌性松动失败，主要原因是植入物与周围骨组织之间骨整合（osseointegration）不足，无法形成稳定生物界面和功能连接。钛表面生物活性有限，可能引发免疫排斥或慢性炎症，抑制骨细胞黏附和增殖。二氧化钛纳米管（TiO₂ nanotubes, TNT）可改善亲水性并促进成骨细胞功能，但其力学稳定性差，植入或承重时易分层或断裂。另一方面，骨整合受宿主免疫反应调控，巨噬细胞可极化为促炎M1和抗炎/促修复M2表型，持续M1反应导致慢性炎症和骨整合失败。锶（Sr）具有成骨潜力，并可调节巨噬细胞极化和血管生成，但稳定加载和持续释放仍是挑战。仿贻贝聚多巴胺（polydopamine, PDA）涂层可通过配位作用稳定负载Sr²⁺。因此，研究人员开发TDS，将纳米多孔钛（TNP）与持续Sr²⁺释放结合，以期重塑免疫微环境并促进骨整合。研究结论表明，TDS可诱导巨噬细胞向M2表型极化，增强成骨分化和血管生成，并在大鼠股骨髁缺损模型中促进新骨形成和骨-植入物整合，为免疫调节钛植入物提供了可放大的表面改性策略。

关键技术方法概括：研究人员通过阳极氧化在Ti表面制备TNP，并与TNT比较机械稳定性；采用PDA介导的一步浸泡共沉积固定Sr²⁺得TDS。表征使用SEM、EDS、AFM、微划痕、超声、水接触角、XRD、FT-IR、XPS和ICP-OES。体外使用RAW264.7巨噬细胞、4周龄雄性C57BL/6J小鼠来源mBMSCs及HUVECs，构建条件培养基（conditioned medium, CM）和材料提取液模型。体内使用雄性SD大鼠股骨髁缺损模型，植入4周和8周后行micro-CT、组织学、免疫组化和血清生化。通过RNA测序（RNA-Seq）和qPCR分析巨噬细胞转录组。

3.1 TDS的制备与表征：研究人员通过控制阳极氧化时间获得TNP，再以PDA/Sr²⁺共沉积制备TDS。表征显示TDS保留均匀纳米孔，亲水性良好，Sr²⁺和PDA均匀分布；TNP的DMT模量、临界载荷和超声稳定性优于TNT；XRD、FT-IR和XPS证实PDA沉积和Sr²⁺固定；Sr²⁺释放呈双相，早期快速释放，后期持续低水平，且大部分锶保留在表面。

3.2 巨噬细胞极化与抗炎反应：通过RAW264.7在Ti、TNP、TD、TDS表面培养，结合骨架染色、CCK-8、免疫荧光、ELISA、RT-PCR、Western blot和流式检测，TDS促进细胞铺展，提高M2标志Arg-1、CD206，降低M1标志iNOS、CD11c，降低IL-6、TNF-α、IL-1β并提高IL-1Ra、IL-10、IL-4，表明TDS可诱导M2极化并改善炎症微环境。

3.3 体外免疫调节促成骨分化：通过巨噬细胞条件培养基间接共培养mBMSCs，TDS组碱性磷酸酶（ALP）活性、天狼星红胶原沉积、茜素红S（ARS）矿化结节及BMP2、OCN、OSX、RUNX2、OPN表达均升高。直接培养也显示TDS可促成骨，但条件培养基效应更强，说明TDS主要通过诱导M2巨噬细胞旁分泌促进mBMSC成骨分化，直接Sr²⁺和纳米拓扑起辅助作用。

3.4 体外HUVECs血管生成活性：TDS条件培养基处理HUVECs可增强细胞铺展、划痕愈合、SDF-1和vWF表达、管形成分支点和管长。材料提取液直接处理也促进血管生成，但弱于条件培养基，提示M2巨噬细胞旁分泌是主要机制，Sr²⁺直接作用为辅助。

3.5 体内骨整合性能：大鼠股骨髁缺损模型4和8周micro-CT显示TDS组骨体积分数（BV/TV）、小梁厚度（Tb.Th）、骨密度（BMD）升高、小梁间距（Tb.Sp）降低，组织学显示新骨与植入物直接接触且骨-植入物接触（BIC%）升高；血清生化无病理异常。局限是体内仅比较Ti和TDS，无法区分纳米孔、PDA和Sr²⁺各自贡献。

3.6 TDS体内成骨能力评价：HE和Goldner三色染色显示TDS组新骨形成和矿化骨基质沉积增强；免疫组化显示COL I、OCN、RUNX2表达升高，表明TDS在体内促进成骨蛋白表达和骨成熟。

3.7 巨噬细胞重编程RNA测序结果：RNA-Seq显示TDS与Ti组转录组明显分离，差异表达基因（DEGs）富集于白细胞介导免疫、细胞因子信号、淋巴细胞免疫、白细胞和单核细胞增殖等过程；单核细胞增殖、炎症反应和血管生成相关通路中多个基因变化，qPCR验证与RNA-Seq趋势一致，提示TDS通过重编程巨噬细胞功能调控炎症和血管生成。

讨论部分强调选择TNP而非TNT以改善界面黏附和机械稳定性；TDS通过拓扑线索和持续Sr²⁺释放协同调节免疫微环境，主要经M2巨噬细胞旁分泌促进成骨和血管生成，直接离子刺激为辅；体内外和转录组多层次证据支持其促进骨整合。局限为体内仅Ti与TDS对比，不能分离各成分贡献，未来需大动物模型及TNP/TD组。

研究结论翻译：受仿生骨结构启发，研究人员成功开发了一种整合纳米多孔形貌与持续锶（Sr）释放功能的植入材料（TDS）。通过阳极氧化和多巴胺配位化学，精细设计表面特征以调控免疫细胞与骨相关细胞间相互作用。研究发现TDS有效诱导巨噬细胞向抗炎M2表型极化，同时增强成骨细胞活性和血管生成，从而调节局部免疫微环境。体外实验证实该涂层显著改善骨髓间充质干细胞成骨分化和内皮细胞管形成能力。体内实验进一步验证TDS促进新骨形成、上调成骨蛋白（COL I、OCN、RUNX2）表达并增强骨-植入物整合。本研究为开发下一代免疫调节骨植入材料提供了临床相关且可放大的表面改性策略，对改善植入物长期成功率具有重要意义。