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上海硅酸鹽所在骨質疏松性骨折修復用納米催化涂層研究中取得新進展
發布時間: 2021-06-30 11:42 | 【 【打印】【關閉】

  氧化應激在骨質疏松癥的發病機制中起重要作用,對相關病理狀態下骨折修復產生不良影響,不利于植入物與周圍骨結合。賦予骨科植入物表面生物抗氧化功能,對于改善骨質疏松癥下植入物周圍成骨細胞活性和骨再生具有重要意義。

  最近,中國科學院上海硅酸鹽研究所等離子噴涂課題組在適用于骨質疏松性骨折修復的納米催化涂層研究方面取得新進展。該團隊在鈦植入物表面構建了負載氧化鈰納米酶的氧化鈦納米管陣列層,能夠有效緩解氧化應激對成骨細胞活性的損傷,解決植入物在骨質疏松動物體內成骨能力不足的問題。相關成果以“Titania nanotube array supported nanoceria with redox cycling stability ameliorates oxidative stress-inhibited osteogenesis”為題發表在Chem. Eng. J 期刊上,并申請發明專利一項。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生邵丹丹,指導教師為李愷副研究員和鄭學斌研究員。

  該團隊研究發現,相比于鈦負載的納米氧化鈰(Ti-CeNPs),氧化鈦納米管陣列層負載的納米氧化鈰(TiNTA-CeNPs)在體外氧化應激模擬環境下(含H2O2的磷酸鹽緩沖溶液)仍能保留Ce3+/Ce4+的氧化還原循環能力。生理環境中的磷酸根離子很容易與CeNPs中Ce3+結合,阻礙Ce3+和Ce4+之間的可逆循環。然而,由于TiNTA表面Ti3+與磷酸鹽的配體交換作用,抑制了磷酸根離子與Ce3+的結合,從而保留了TiNTA-CeNPs的循環抗氧化功能。同時,研究團隊還通過建立TiNTA-CeNPs缺陷能帶結構與其抗氧化類酶活性之間的構效關系,發現TiNTA-CeNPs禁帶中氧空位相關的缺陷態能級(ESDS)與超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)催化反應中氧化還原對(redox couple)電位的匹配程度能顯著影響材料的類酶活性。

  進一步地,該團隊研究了納米催化生物涂層對氧化應激下成骨細胞活性的保護作用和機理以及對骨松性骨缺損動物模型下骨再生的促進效果。發現具高CAT模擬活性和低類芬頓反應活性的TiNTA-CeNP2能顯著降低氧化應激下成骨細胞內活性氧簇(ROS)含量,保護成骨細胞活性和分化能力免受氧化損傷。另外,TiNTA-CeNP2能有效降低骨松性大鼠體內植入物周圍組織中氧化物質的產生,減少炎性纖維組織的生成,更好地促進骨再生。

  以上研究工作得到了國家自然科學基金和中科院青促會等項目的支持。

  相關鏈接:

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128913

 

圖1. 在含H2O2的磷酸鹽緩沖溶液中浸泡不同時間后,Ti-CeNPs和TiNTA-CeNPs表面Ce 3d高分辨XPS圖譜

 

圖2. Ti-CeNPs和TiNTA-CeNPs能帶結構與SOD和CAT催化反應中氧化還原對電位的相對關系

 

圖3. 正常和骨質疏松性骨缺損大鼠體內TiNTA-CeNPs周圍骨小梁的三維圖像和統計學分析

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