01

文章背景簡介   

BACKGROUND INTRODUCTION

鋅（Zn）是人體必需的微量元素，在體內(nèi)的相對豐度僅次于鐵（Fe）。鋅的一個至關(guān)重要的生化功能在于其能夠作為輔酶因子和蛋白質(zhì)的活性中心，因此是調(diào)節(jié)酶活性和大分子化合物的核心元素。鋅在軟硬組織的形成和發(fā)育、免疫調(diào)節(jié)、血管生成以及隨后組織缺陷的自我修復(fù)激活中起著至關(guān)重要的作用。近年來，由于研究發(fā)現(xiàn)鋅還具有刺激血管生成和調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)的能力，因此很多研究將鋅作為一種重要成分加入到組織修復(fù)材料中。

生物活性玻璃（bioactiveglass，BAG）是一類能對機體組織進行修復(fù)、替代與再生、具有能使組織和材料之間形成鍵合作用的材料。生物活性玻璃的降解產(chǎn)物能夠促進生長因子的生成、促進細胞的繁衍、增強成骨細胞的基因表達和骨組織的生長。它是迄今為止唯一既能夠與骨組織成鍵結(jié)合，同時又能與軟組織相連接的人工生物材料。但由于玻璃材料多存在脆性大、機械強度差、易團聚且結(jié)構(gòu)不可控等缺點，使其在各領(lǐng)域中的應(yīng)用受到限制。對此，當前大多數(shù)研究主要聚焦于采用冷凍干燥法、溶膠凝膠法等將其與有機或無機材料進行混合，以改善BAG的機械性能及其脆性等，進而增加其臨床應(yīng)用、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

溶膠-凝膠技術(shù)可以在相對溫和的條件下制備具有高比表面積(SSA)的納米生物活性玻璃，并且制備的生物活性玻璃具有均勻的成分和可控的形狀。此外，溶膠-凝膠技術(shù)制備的生物活性玻璃的網(wǎng)絡(luò)和微觀結(jié)構(gòu)較為松散，這使得玻璃內(nèi)部具有大量的孔隙結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)斷點，因此生物活性玻璃在體外具有更高的離子溶解速率。大量研究表明，通過溶膠-凝膠工藝制備的生物活性玻璃在控制細胞增殖、粘附和分化方面具有顯著優(yōu)勢。這些作用將通過其納米級效應(yīng)有助于組織再生。雖然廣泛應(yīng)用于各種軟硬組織再生策略，但溶膠-凝膠衍生的硼硅酸鹽生物活性玻璃在局部植入后，其高SSA和快速離子釋放是否會引起局部高炎癥反應(yīng)是一個問題。此外，溶膠-凝膠衍生的硼硅酸鹽生物活性玻璃的納米效應(yīng)是否會在植入后對機體的內(nèi)臟器官和循環(huán)代謝帶來一定的副作用，目前仍是未知的。醫(yī)療器械體外生物相容性評價的黃金標準是基于ISO 10993標準，那是一個靜態(tài)的細胞培養(yǎng)系統(tǒng)。然而，考慮到生物活性玻璃的降解產(chǎn)物會在靜態(tài)環(huán)境中積累，并且由于釋放的離子濃度高不可避免地會對細胞產(chǎn)生細胞毒性。因此生物活性玻璃的安全性評估也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

為了對生物活性玻璃的生物安全性和有效性驗證提供更精確和科學(xué)的見解。并將鋅(Zn)摻入到溶膠-凝膠衍生的硼硅酸鹽生物活性玻璃(SBSGs)中，制備出了鋅摻入硼硅酸鹽生物活性玻璃(SBSG-Zn)，以補充其組織修復(fù)能力和免疫調(diào)節(jié)的潛力。天津科技大學(xué)與中科院深圳先進院聯(lián)合培養(yǎng)的2020級生物與醫(yī)藥專業(yè)學(xué)位碩士研究生張麗艷等人于2024年在《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志（IF=8.3，JCR Q1）發(fā)表了題為“對。”的文章。文章的通訊作者是天津科技大學(xué)羅學(xué)剛教授及中科院中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院的潘浩波教授和崔旭教授。

02

所用到的主要方法

METHODS   

（1）溶膠-凝膠法制備硼硅酸鹽生物活性玻璃：溶膠-凝膠生物活性玻璃是由大量的粒徑為幾十納米的微球組成，微球堆積間隙形成均勻分布的微孔，孔徑分布在幾納米到幾十納米�？s聚過程可形成二氧化硅無機網(wǎng)絡(luò),水和醇的揮發(fā)造成網(wǎng)絡(luò)的多孔性，使其具有較大的比外表積。高的比外表積和均勻分布的微孔有利于提高材料的化學(xué)反應(yīng)活性和降解速度，形成較多的羥磷灰石礦物的成核位以及改善材料的組織細胞親和性，促進有利于新骨生長的各種膠原、蛋白物質(zhì)及骨細胞的附著。

（2）電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)：是一種無機多元素分析技術(shù)，利用電感耦合等離子體將樣品中的原子化并電離,然后通過質(zhì)譜儀對離子進行分離和檢測。高溫等離子體使樣品去溶劑化、汽化解離和電離,質(zhì)譜部分利用不同離子的質(zhì)荷比差異，實現(xiàn)了對各種元素的準確分辨和定量分析。

（3）x射線粉末衍射(XRD)

（4）傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)

（5）場發(fā)射高分辨率透射電鏡(FE-TEM)

（6）激光粒度ζ電位分析儀測試玻璃粒徑

（7）比表面積法（SSA）和孔徑測試儀測試玻璃的介孔結(jié)構(gòu)和比表面積

（8）x射線光電子能譜(XPS)：是基于光電效應(yīng)，它通過使用特定能量的X射線對樣品表面進行照射，從而激活光電子，然后使用能量分析器對其進行捕獲和分析，從而得到光電子能譜圖。它不僅可以提供分子結(jié)構(gòu)和原子價態(tài)方面的信息，還能為電子材料研究提供各種化合物的元素組成和含量、化學(xué)狀態(tài)、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵方面的信息。

（5）哺乳動物細胞對生物活性玻璃的體外反應(yīng)

（6）大鼠皮下模型中生物活性玻璃對血管生成和炎癥的反應(yīng)

03

文章主要內(nèi)容摘要

ABSTRACT 

現(xiàn)有ISO 10993標準測試方法并不能適應(yīng)生物可降解材料（如生物活性玻璃）的評估，因為靜態(tài)環(huán)境中降解產(chǎn)物的積累可能會導(dǎo)致細胞活力受損。因此，迫切需要創(chuàng)新的方法來定制化分析這些材料獨特的生物降解特性，為生物安全性和有效性驗證提供更精確和科學(xué)的見解。由于鋅對血管生成和免疫的雙向調(diào)節(jié)作用，本研究將其摻入溶膠-凝膠衍生的硼硅酸鹽生物活性玻璃（SBSG）中，制備了含鋅硼硅酸鹽生物活性玻璃（SBSG-Zn），以補充生物活性玻璃的組織修復(fù)能力。SBSG和SBSG-Zn玻璃均由納米顆粒、狹縫中孔、高比表面積和生物活性組成。根據(jù)ISO 10993標準進行的體外比較分析表明，只有在適當?shù)南♂屄氏拢ɡ�如本研究中使用�?倍稀釋），SBSG和SBSG-Zn玻璃的提取物與人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC）一起培養(yǎng)時才表現(xiàn)出較低的細胞毒性。值得注意的是，SBSG-Zn玻璃顯示出能夠顯著促進HUVEC中血管生成基因的表達。此外，在釋放離子的適當濃度范圍內(nèi)，SBSG-Zn玻璃提取物不僅可促進細胞存活，而且還能調(diào)節(jié)抗炎基因的表達、抑制促炎基因。SBSG和SBSG-Zn玻璃植入大鼠皮下缺損模型后，均表現(xiàn)出局部免疫調(diào)節(jié)和血管生成作用。SBSG-Zn能夠明顯調(diào)節(jié)巨噬細胞中M1/M2極化，這主要是通過改變巨噬細胞中關(guān)鍵因子的分泌狀況及HUVEC中相關(guān)生長因子的表達來實現(xiàn)的。這些發(fā)現(xiàn)表明：通過將鋅摻入生物活性玻璃中可以有效調(diào)節(jié)局部血管生成并調(diào)節(jié)免疫，且應(yīng)用適當?shù)碾x子劑量有助于實現(xiàn)最佳治療效率。

簡而言之，本研究的主要內(nèi)容有：（1）溶膠-凝膠衍生的硼硅酸鹽生物活性玻璃的表征（2） SBSG和SBSG-Zn玻璃對體外血管生成的調(diào)控作用（3） THP-1細胞的體外免疫調(diào)節(jié)（4）在皮下動物模型中，生物活性玻璃的生物相容性、血管生成和免疫調(diào)節(jié)

       原文標題 : 鋅改性硼硅酸鹽生物活性玻璃可有效調(diào)節(jié)局部血管生成與免疫反應(yīng)