生物材料通過細胞途徑降解分析

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一、經細胞途徑生物陶瓷的體內降解

生物陶瓷按生物學性能分類為生物惰性陶瓷及生物活性陶瓷，生物惰性陶瓷化學性能穩定，幾乎不與周圍組織液發生反應，在體內不易降解，如氧化鋯、氧化鋁等，生物活性陶瓷在體內可部分降解或全部降解，有良好的骨誘導性，如生物活性玻璃、羥基磷灰石(HA)陶瓷、磷酸三鈣(TCP)等。生物陶瓷具有良好的生物相容性、力學相容性、穩定的理化性質等優點，但同時也有脆性高、骨誘導性差等缺點。目前廣泛使用的生物陶瓷是羥基磷灰石、磷酸三鈣等鈣磷生物陶瓷(Ca-P 生物陶瓷)。Ca-P 生物陶瓷降解與細胞的生物學行為(細胞接觸行為的生物降解)及細胞分泌的生物活性物質(細胞旁分泌作用的化學降解)有關。一方面與巨噬細胞的生物學行為——胞吞作用及胞吐作用有關。Lu 等提出，在Ca-P 生物陶瓷的細胞途徑降解過程中，巨噬細胞或多核巨細胞在遇到材料顆粒后被活化，通過胞吞作用吞噬材料顆粒。而對于體積較大的材料顆粒，巨噬細胞或多核巨細胞可以黏附顆粒，胞吐出溶酶體內容物至微環境中，引起細胞外降解。另一方面與細胞分泌的生物活性物質如生物活性氧、酸性酶及其他酸性代謝物有關，Ma 等在對添加Li 的磷酸鈣的研究中發現添加低劑量 Li 磷酸鈣在與 MG63 人成骨肉瘤細胞培養時降解更高效，這可能是因為細胞釋放的酸性代謝產物或酸性酶加速了支架的降解，而Li 離子的釋放促進了 MG63 細胞增殖，從而引起更多的酸性物質的產生。

二、經細胞途徑高分子生物材料的體內降解

高分子生物材料具有可降解性、良好的細胞相容性、容易塑形等優點，但同樣也具有其降解產物對微環境有一定影響、機械強度不足，易引起免疫反應及炎癥反應、降解速率過快等缺點。由于高分子材料降解速率較快，對骨修復缺乏足夠的支撐作用，因此直接應用高分子材料的效果較差，往往需要加入其他材料進行優化。高分子生物材料由于其結構的特殊性，其降解往往由細胞分泌的生物活性物質介導。在對高分子生物材料的細胞降解研究中發現，周圍細胞可分泌多種生物活性物質，促進高分子生物材料的降解。因高分子生物材料主要為有機高分子生物材料，故其降解多由各種酶參與，如溶菌酶，溶菌酶可作用于肽聚糖并水解連接N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡糖胺4 號碳原子的糖苷鍵，使底物分子呈應變構象，在這種狀態下，糖苷鍵斷裂。上述機制往往發生于天然高分子生物材料，如在幾丁質材料降解過程中，細胞分泌的溶菌酶可作用于幾丁質的β-1，4-糖苷鍵，引起幾丁質的降解。如MMP(Matrix metalloproteinase，基質金屬蛋白酶)，在對明膠支架的降解研究中，Daviran 等觀察到人間充質干細胞 (Human mesenchymal stem cell，h MSC) 分泌的 MMP 在明膠支架降解中起關鍵作用，而細胞骨架張力的牽拉對降解的作用較小。支架的降解并不是從細胞周圍開始，并且隨著距離增加，肽鍵交聯密度逐漸降低。以往的研究認為，絲素蛋白的降解主要依賴于酶滲透入蛋白的非結晶部分，導致其斷裂產生小的結晶碎片。Panda 等證實，絲素蛋白的β 折疊結構可以增加絲素蛋白對酶的抵抗，降低降解速率，并對絲素蛋白的降解進行了深入的闡釋：蛋白酶ⅪⅤ作用于非晶態部分的親水位點，使絲素蛋白非晶體部分斷裂，形成含晶體疏水的小片段，水分子擴散入絲素蛋白小片段與蛋白的負電荷相互作用產生離子-偶極子，從而減少了分子間及分子內的摩擦，從而使其降解。

三、經細胞途徑復合材料的體內降解

復合材料包括不同生物材料的復合、生物材料與生長因子的復合、生物材料與無機物的復合3 大類。復合材料是兩種或兩種以上材料或材料與其他物質的復合，故力學性質、生物相容性、生物降解性等與單一材料有較大不同，其降解也不是單一材料降解的簡單相加，因為材料與材料之間對降解作用也有相互影響。對復合材料通過細胞途徑的降解研究，因材料的復雜性限制目前多局限于細胞與材料共培養的實驗。在有生物陶瓷參與的復合材料中，巨噬細胞、破骨細胞參與其降解。Zhong 在Ca CO3/羥基磷灰石(HA)復合材料的降解研究中，觀察到在碳酸鈣/藻酸鈉及羥基磷灰石/藻酸鈉材料周圍有巨噬細胞及組織纖維，這對材料的降解起了重要作用。巨噬細胞的吞噬作用及其釋放的細胞因子可以加速材料降解的速率。Zhang 等在對介孔鎂硅酸鈣生物玻璃纖維/醇溶蛋白/聚己酸內酯復合材料的研究中，發現該材料在體內的降解速度快于其在體外降解速度，故認為材料在體內的降解受溶解及細胞降解兩方面控制。對納米多孔透輝石生物玻璃/醇溶蛋白復合材料的研究中，也發現其在體內的降解、溶解與破骨細胞介導的降解有關。而在高分子生物材料參與的復合材料中，細胞分泌的生物活性物質如酶介導其降解。Li 等在對微米羥基磷灰石/幾丁質 (micro HA/CS)及納米羥基磷灰石/幾丁質(nano HA/CS)多孔支架的酶解研究中，將 micro HA/CS、nano HA/CS 與溶解酵素共培養，1 周、2 周、4周、6 周后計算支架重量的減少率。結果提示，二者降解率在4 周前較低，4 周時約為 10%，4 周后降解速率均明顯加快，8 周時降解率約為 30%。除此之外，5 周前 micro HA/CS 的降解率高于 nano HA/CS，5 周之后相反。支架置入溶菌酶的溶液中后，在降解之前，水分子首先擴散入 CS，使 CS 膨脹。之后溶菌酶與 CS 的活性位點結合，切斷 CS的β-1，4-N-乙酰葡糖胺基及葡糖胺基，更多的 CS 大分子暴露出來，降解速率加快。最后，HA 顆粒暴露出來，支架變薄，多孔結構被破壞，支架坍塌并破壞。

結束語

綜上所述，目前，對于細胞在材料降解中的作用研究仍存在如下不足：對于生物材料的細胞途徑降解較多局限在細胞學實驗及動物實驗，而相關機制研究，尤其是分子層面的研究還比較缺乏。今后對于生物材料通過細胞途徑的降解研究可以更加深入到機制 (如分子、信號通路) 層面。這有助于更好理解細胞的生物學行為，設計、制造更合理的組織修復的生物材料，不但利于材料植入時的初始穩定，也符合材料降解與新骨形成相匹配的時間和能力，促進骨再生和骨修復。