间充质基质细胞成骨分化的控制通过修改后的表面

文摘

干细胞会继续受到广泛的关注,由于他们的潜力彻底改变治疗领域的组织工程和再生医学。成体干细胞,特别是间充质基质细胞(msc),发挥了重要作用在骨愈合和骨整合周围的自然事件被刺激分化成骨的血统,在这一过程中,他们形成新的皮质和骨小梁组织。了解如何控制、操作和提高内在疗愈事件调制通过成骨分化msc的表面改性和生物材料的使用可能会推进领域的骨科和牙科。这可以通过使用表面改性来生成植入更加稳定和快速愈合后植入或msc的刺激体外再植术。本文旨在收集针对促进出版物,增强,通过生物材料的成骨分化和控制msc, nanotopographies,修改表面用于植入过程。

1。介绍

生物材料近年来先进显著,尽管随着全球人口老龄化,曾经被认为是一个可接受的植入不再那么长寿,推动改善生物材料的发展具有优越的性能和寿命的延长。这种效果很明显的一个领域是在骨科关节成形术。据估计,到2030年,将有174%的增长需要全髋关节置换(THR)伴随着增长674%全膝关节置换(唯一)1]。在同一时期,需要修订手术,手术替换或修复失败的假肢关节,也将大幅增加。帮助减少手术需要修订,合适的生物材料必须为这些应用程序开发的基于机械和生物相容性的属性(2]。骨科植入物在理想的情况下,材料必须机械强大到足以承受的负荷联合同时还拥有一个杨氏模量,适用于负载转移到周围的组织。同样重要的是植入材料的bioinert防止炎症反应,尽管目前生物活性材料植入材料的选择(3),他们可以促进骨整合等积极的生物反应。对骨折愈合和骨整合是重要的形成直接植入和骨骼之间的接口不需要连接软组织(4,5]。之间形成的直接接口发生一个植入生物材料和骨组织本地人,细胞与成骨的潜在的招聘必须发生在植入物的表面。殖民的细胞发生感兴趣的网站通过生长因子和细胞因子的释放到周围的凝块植入位置的网站,和人们普遍认为msc是第一个成骨细胞招募这些网站在活的有机体内(6,7]。msc是多功能细胞,能够自我复制和分化成成骨,chondrogenic,脂肪形成的,成纤维细胞的,神经血统8]。通过本地因素的释放和互动与生物材料表面,msc理想情况下可以区分沿触发成骨的血统,形成成骨细胞在植入网站能够促进骨愈合。这是由一个复杂事件的组合,涉及细胞内细胞骨架的张力、细胞膜信号、焦粘连,富含钙的分泌细胞外基质(ECM)。改善这个细胞反应,植入物表面可以定制的地形和化学信号,与因素msc分化的调节,包括微纳米表面粗糙,表面能和化学。本文旨在研究使用修改后的表面引发和增强msc的成骨分化,与创建骨科和牙科植入物的最终目标,支持骨整合,促进更快速愈合。

2。钛

钛一直是骨科和牙科植入物的黄金标准由于其良好的生物相容性,耐腐蚀,耐磨损和骨植入其促进骨整合的能力接口(9]。什么有助于触发msc对钛的成骨分化严重了,导致与改性钛合金表面的形成旨在促进骨整合。钛植入材料与表面改性研究所Straumann AG(瑞士瓦尔登堡),称为SLActive,近年来被广泛研究的方法促进msc的成骨分化,进而导致更高层次的植入后骨整合被观察到。新奇的表面是利用两个元素被证明是重要的在产生良好的骨反应;第一个是一个粗略的地形优化骨反应(10),第二个高表面能呈现表面superhydrophilic [11,12]。布塞尔等人第一次展示了骨整合的潜力SLActive在动物研究中使用一个小型猪模型。通过骨植入物接触(BIC)测量,SLActive了促进增强骨愈合早期相比nonhydrophilic粗糙面(SLA) (13]。在类似的研究中,施瓦兹等人利用狗模型探讨不同程度的骨整合和再发现SLActive优越在骨愈合的水平观察(14- - - - - -16]。波恩斯坦等人利用狗模型探讨骨并列SLActive和SLA植入。SLActive表面展示更多骨并列两周的治疗后,突显出表面促进加速早期骨整合能力(17]。在人类研究中,朗等人进行了牙科研究涉及49例。植入后插入retromolar区和检索;骨整合的水平在2和4周观察到的是上级SLActive [18]。获得进一步了解骨整合植入物在基因层面,Donos等人植入SLActive和SLA植入人类患者retromolar面积9。经检索,分析RNA提取的组织移植。SLActive显示一个upregulation骨生成和血管生成相关的基因植入后1周。得出结论,proosteogenesis和proangiogenesis SLActive表面的影响可能是负责其早期osseointegrative优势(19]。关于SLActive更深入的审查在活的有机体内研究,请参阅施瓦茨et al。最近的出版物(20.]。

这些在活的有机体内研究证明的骨整合潜力SLActive表面虽然未能识别潜在的生物原因其优越的骨整合的属性。msc已经被认定为一个重要的细胞类型所必需的骨整合和骨愈合6,7骨髓间充质SLActive],人类细胞反应的表面,特别是他们的成骨分化,突显了作为一个重要的领域。这个最初由墙等研究。21)利用SLActive和SLA的表面,以及一个光滑的钛表面作为控制(SMO)。墙等人发现SLActive和SLA优于SMO [21),预计考虑表面粗糙度的不同,之前强调骨整合(作为一个重要的因素10]。水平WNTa成骨的RNA的基因,BSP, Runx2, SPP1进行分析,观察SLActive表达高水平的RNA成骨的标记检查的表达式。更高水平的RNA发现SLActive表面指向一个加速成骨的msc的响应和支持在活的有机体内基因研究前面讨论(19]。

为了进一步了解微观结构之间的机制钛表面如SLActive和成骨分化的人类msc、Olivares-Navarrete等人进行了识别和分析研究成骨分化的关键标记被认为是重要的(22]。发现多个成骨的标记SLActive表面显著增加,包括碱性磷酸酶(ALP)、水解酶酶负责提供成核钙无机磷酸盐的网站,和早期成骨分化的标志(23]。骨钙素(OC), osteoprotegerin(功能),和转化生长因子β1 (TGF -β1),标记为成骨分化后期,SLActive也显著增加,尽管血管内皮生长因子(VEGF-A)被观察到显著下降。成骨的基因的表达也分析,发现SLActive上调Runx2, OC, ITGA2, ITGB1支持以前的出版物(19,21]。Olivares-Navarrete等人继续调查coculturing MSC的组合与MG63细胞为了检查如果接触osteoblast-like细胞会有实时影响MSC分化钛表面上观察到。这个实验旨在模拟在活的有机体内环境允许相互之间发生的一些细胞类型将会出现在骨愈合。发现MG63细胞只有发布的地方因素影响成骨表型的msc在SLA中成长和SLActive表面。msc与ITGA2 cocultured沉默时细胞,减少观察成骨分化的水平在所有表面,支持先前的工作强调ITGA2成骨细胞反应的重要性在钛基板(24]。DKK2沉默细胞与msc产生相似的结果也cocultured SLActive和SLA表面,水平降低的成骨分化从沉默中观察到的细胞培养。这也突显出这个因素的重要性的成骨分化msc在钛基板25]。

进一步检查SLActive表面,汗等人进行的一项研究调查某些关键骨基质成分的人类成骨分化(msc被认为是重要的26]。汗等人提出的衡量成骨分化的发生可能与钙的水平在ECM和胶原蛋白沉积。从这个研究最重要的发现表明,钙沉积量/ ng对1型胶原蛋白明显高于SLActive表明的质量以及数量骨沉积在SLActive优越。ECM已经成为一个强有力的因素控制干细胞的命运通过物理相互作用[27- - - - - -29日),这意味着增强骨整合SLActive表面的性质(13- - - - - -18)可能是由于钙化ECM的刚度(26人类msc SLActive表面产生)。汗等人研究了高山表达式,成骨基因Runx2的基因表达,骨桥蛋白(OP)和骨涎蛋白2型(BSP2)和OC的成骨蛋白表达,功能和生长分化因子15 (GDF-15)。高山成骨的基因的表达和早期upregulation Runx2, OP, BSP2第一天再次支持证据表明SLActive表面促进一个增强成骨的遗传反应msc (19,21,22,30.]。成骨蛋白表达分析在三周的时间,功能和GDF-15观察明显高于在SLActive[3周26]。

3所示。Nanotopography

微米尺度地形已经被证明影响lineage-specific msc分化[21,22,26),并进一步研究正在寻求增加细胞反应和控制。最近出现的使用nanotopographies控制和提高msc具有巨大的潜力的分化领域的骨科和牙科。能够创建各种地形命令或随机格式可以很容易地修改特定大小开辟了大量可能的用途。Topography-mediated命运的决心有许多优于其他技术用于驱动lineage-specific分化。这些包括增加耐久性的去除表面化学改性和需要的合成或生物半个直接分化,这对使用有明显的监管问题在活的有机体内。前面讨论的SLActive等表面微米尺度上的粗糙度和地形。Nanotopographies等表面有明显的优势,他们有能力复制的特点组织发现在活的有机体内在纳米级。骨骼组织特征,从宏观(类骨质),0.8 - -1.4微(矿化结构μ米(31日])和纳米级(胶原纤维束5 - 10 nm 67海里纹和HA晶体225海里(32])。在纳米尺度上的骨头,突起的复杂组合,纤维和地形坑存在,通过交互地形在活的有机体内,可以引发成骨的反应在msc、允许新骨组织的形成发生。研究材料nanotopography旨在复制在活的有机体内MSC刺激,控制MSC仅仅通过lineage-specific分化的细胞与材料表面的相互作用在纳米特性。

4所示。聚合物和硅Nanotopographies

电子束光刻技术(EBL)的基质的有机玻璃(PMMA),直径120纳米和100纳米nanopits深处,分析了影响成骨的MSC的命运由Dalby et al。33]。命令模式包括广场(平方)和六角形阵列(十六进制),与无序模式包括与坑方形阵列放置随机至多50海里(DSQ50)和20 nm (DSQ20)在两个轴的位置在一个真正的广场数组。最后一个无序模式坑随机放置在一个150年μ达到150μm (RAND)。后21天在文化,指出,msc DSQ50表面显示领域的早期结节形成和强烈的细胞聚集,而表现出地区特异性阳性ECM蛋白质,OP和OC。在28天,内部发生的矿化结节验明正身,明显这只发生在DSQ50表面。高度有序的表面(平方&十六进制)显示osteoprogenitor水平细胞密度下降,和msc成纤维细胞的外观。进一步研究DSQ50表面的成骨的潜力,Dalby等人进行RNA分析msc DSQ50表面培养,对平面控制和地塞米松的平面材料,化学添加剂用于刺激成骨分化的msc。细胞培养与地塞米松与24 upregulation基因的最高水平,尽管DSQ50表面能够触发11基因相比,控制3支安打。基因表达分析然后进行粘附分子ICAM1,信号分子受体TGFBR1和成骨基因OCN和高山。和之前一样,DSQ50表面能显著上调这些重要成骨的基因,虽然不是同一水平作为dexamethasone-supplemented细胞。Dalby等人能够第一次表明,无序nanotopographies (DSQ50)有可能提高msc在缺乏成骨分化的化学刺激。

在后续研究中,Dalby等人看着人类msc在两个不同的基因表达nanotopographies上创建PMMA (34]。首先,表面40:400创建通过photolithographically生产坑PMMA,尺寸400海里的深度和40μ米直径,与监测吸收坑发现在活的有机体内。其次,通过聚合物分层、表面称为3%:3000年成立,生产聚合物群岛33海里的高度,一种表面改性技术之前确认为能够刺激响应不同细胞类型(35]。发现地形表面能够改变基因组的msc以类似的方式地塞米松。指出,3%:3000表面超过40:400。有趣的是一些地形只有通路被发现,比如p38增殖蛋白激酶(MAPK),肌动蛋白细胞骨架的信号,纤维母细胞生长因子(FGF)和血小板源生长因子(PDGF) [34]。Upregulation基因ICAM1、TGFBR1 OCN,高山也观察到在msc测试地形,支持Dalby et al。”年代早些时候从DSQ50表面观察,也发起了一个Upregulation在一些关键基因(33]。

比格斯的类似研究et al ., PMMA压花是用于创建无序nanotopographies nanocraters nanoislands,下令nanotopographies坑一起安排在广场和六角形阵列(36]。Nanocraters深度约47海里有3μ米直径,而nanoislands大约45 nm制程在高度和3μ米直径。有序数组被证明拥有120海里坑直径的100海里,拥有300海里的centre-centre间距。人类msc STRO-1积极丰富分析后培养基质,这是表明,细胞的基因表达的变化发生由于基质的地貌。细胞整合素信号和形态是影响所有的基板,虽然关于最大数量的调节基因微阵列数据规范化观察信号通路的功能nanopit数组。转化生长因子β(TGF -β)被证实是调节所有基质,这nanoisland基质中加上一个小upregulation TGF -β活化激酶1结合蛋白(TAB1)和Ca^{2 +}/ cAMP-response元素结合蛋白(CPB)。

在后续研究中,毕格茨等人调查了影响nanotopographies对ERK / MAPK信号通路STRO-1 +人类msc (37]。信号级联,细胞外signal-regulated激酶(ERK),是一种已知的MAPK途径的成员,在MSC分化发挥重要作用[38- - - - - -40]。复杂的信号通路,比如ERK / MAPK途径,发挥了重要作用的细胞分化msc通过翻译对细胞功能的应用在组织层面的紧张关系。毕格茨等人研究了四个PMMA nanotopographies;两个nanopit数组(平方&十六进制)如前所述36),和两个槽/脊数组,大约300海里深10μ米和100μ米宽度,分别。发现有序nanopit数组的差别造成了对这些基因的多个信号分子的表达,支持先前的研究,高度有序的PMMA数组限制msc的成骨分化(33]。msc培养10μm槽均显示信号分子的下调,尽管upregulation粘着斑激酶(FAK)的表达以及MAPK磷酸酶(MKP)指出。100年μm槽底物造成了广泛的upregulation ERK / MAPK通路相关的基因,与骨钙素的重要生产。毕格茨等人能够证明通过使用槽,脊nanosubstrates ERK / MAPK信号通路可能是刺激成骨分化的人类msc (37]。

人类MSC成骨分化的调制通过从地形上的脊和槽底物进一步调查Watari et al。41]。利用硅基板,三个地貌进行了研究,每个凹槽深度300海里,但是随着400海里,1400 nm和4000 nm,分别。Runx2的基因表达,msc的成骨分化的总开关42),是在文化学习三天后,发现400纳米沥青表面刺激的表达水平显著高于发现4000纳米表面和平面控制。OCN成熟成骨细胞的标志,也检查了,有一个重要的地形效应相比,平面控制。在为期三周的时间,这是表明,400纳米沥青表面的水平明显高于有钙沉积在7天,十四对控制,这一趋势显示在规模较大的微米SLActive钛表面(26]。进一步研究地形表面的影响,msc被培养基质上使用传统的成骨的媒体。400海里衬底再次显示成骨的优越特性,与更高水平的钙沉积在第七天和更高的Runx2表达式在第三天,相比控制。水平OCN再次观察到被高地形基质相比,控制。成骨的媒体,它表明,400纳米基质能够显著提高ID1的表达水平,目标基因诱导骨形成蛋白(bmp) (43)属于过渡政府β总科认为msc的成骨分化起着重要的作用[44]。这一趋势也明显nonosteogenic媒体虽然不具有统计学意义。Watari等人能够证明400纳米沥青表面的成骨的潜力(41),建议表面可能是由于其巨大的优越并行数组的比较1型胶原原纤维位于骨组织在活的有机体内(45]。重要的是要注意,Watari et al。’s结论不同于之前发布Yim et al .,槽和脊聚合物基质被证明导致神经特定分化的人类msc (46),尽管不同的涂层材料和文化媒体了。

为了研究微,纳米柱对MSC分化的影响,布拉姆等人创建地形在金色涂布硅基板47]。与以往的研究不同,基质是呈现疏水而不是主要是聚合物和亲水性的表面。光刻、湿蚀刻技术被用来创建micropillar (2.5μ2米的高度,μ2.5米直径)和nanopillar (μ米高度,与间距20 nm直径)地形,与他们的支柱直径成正比。随后,金沉积被应用于保持表面化学常数和专注于从地形上诱导细胞反应。nanopillar地形显示其显著影响大鼠msc的增长同时也影响干细胞的命运。msc在nanopillar地形也大大增强粘附在2小时,增加扩散在24和48小时。MSC传播阻碍在初始阶段,虽然在文化的三个星期,密集的细胞聚集形成nanopillar表面,并假设区分是由于细胞形态学变化。这个假设是基于通过唐等人研究和信息交互和MSC成骨分化之间的关系,在那里发现一个积极之间存在线性关系的两个(48]。布拉姆的nanotopographies的分化潜力进行了研究,包括标记脂肪形成,软骨形成和骨生成。发现nanopillar地形有较高成骨潜能通过显著提高成骨矿化的水平,检测到茜素红染色没有chemical-inducing添加剂的存在。高水平的osteogenic-specific蛋白质在细胞聚集证实发现OP主导nanopillar地形的成骨的属性。

5。金属Nanotopographies

正如前面讨论的,它已经表明,通过使用nanotopographical仅影响,成骨分化的msc可以触发和刺激33,34,36,37,41,47),尽管这种表面的应用程序仍然需要进一步的研究,特别是,这些有影响力的地形上的传播承载植入材料与机械和生物相容性的属性适用于牙科和骨科应用程序。钛被认为是黄金标准对于骨科和牙科应用程序(9)由于其优良的生物相容性和机械性能类似于骨,许多研究小组有针对性的结合钛nanotopographies为lineage-specific人类msc分化。

Sjostrom等人研究了人类的互动msc在二氧化钛纳米结构通过一个多孔氧化铝生产通过阳极氧化钛表面面具(49]。不同地形创建通过增加阳极氧化电压,导致三种不同的表面表现出nanopillar结构15海里,55纳米,在高度100海里,分别(直径28 nm, 41海里,55纳米)。创建的地形较低的电压,即15 nm和55纳米表面,被描述为有密集的点的结构,100纳米表面相比,柱结构更centre-centre距离。表面上的MSC的反应表明,高15纳米结构持续传播细胞高度有组织的骨骼和许多大焦粘连对成骨分化被认为是重要的MSC (50,51]。相比其他地形,MSC骨骼组织局部粘连少,越来越小。免疫组织化学染色对成骨的标记OC和OP执行后21天在文化、和发现高15纳米结构表现出骨基质结节富含OP和OC。观察到的骨基质结节的数量降低二氧化钛的结构从15到100 nm,增加。

进一步检查15纳米结构化的钛表面的成骨能力,麦克纳马拉等人进行的一项研究相似Sjostrom et al。49),尽管包括额外的技术旨在发展发表文献[52]。15纳米结构与其他两个结构化表面,研究了钛表面与55和90 nm高度,分别在平面控制。再次表明了15纳米结构提升优质焦粘连和21天之后一个增强骨钙素的生产文化。转录因子Runx2,被认为是重要的成骨分化msc (42),是由微分磷酸化。2天后在文化、发现phospho-Runx2水平(pS456)核的msc 15纳米表面增强,导致增加这一重要的表达成骨的因素。代谢组学,研究msc的代谢反应,发现大量的代谢途径的调节在msc 15纳米表面。这些途径包括氨基酸、亚油酸和高山功能通路,扮演着一个重要的角色在骨矿化23]。

Lavenus等人研究了纳米孔对分化的影响人类的msc和观察到的骨整合在一个水平在活的有机体内大鼠模型(53]。钛表面纳米孔的创建20 nm, 30 nm,通过阳极氧化和50 nms V, 5点10 V, 20 V醋酸和氢氟酸。识别nanotopographies的成骨能力,成骨细胞的基因表达研究不存在成骨的补充剂,并发现Ti30和Ti50表面促进早期成骨分化的通过Runx2的监管和Col1A1 msc。高山nanosurfaces也似乎调节成骨的因素,OCN, BSP。在在活的有机体内部分Lavenus等的研究,骨整合研究了纳米植入大鼠胫骨模型。1周后,人们发现纳米移植骨愈合明显增强。观察骨组织植入在直接接触;Ti控制相比,一个100年的差距μm在场植入表面和主机之间的骨组织。3周,骨接触显然是明显的在植入纳米厚的骨小梁表面的轮廓后,与Ti50表面出现的最高数量的骨头。BIC价值观和退出拉伸测试证实Ti30和Ti50表面的优越性,这意味着更快的骨愈合可能发生在这些纳米填充。Lavenus等的工作是小说的结合在体外和在活的有机体内结果nanotopographies证明是msc及成骨分化的影响在活的有机体内骨整合。虽然它是理想的研究在体外和在活的有机体内测试从同一主题,这项工作仍然显示了纳米孔钛表面的成骨能力,可能在未来的牙科和骨科植入物极具影响力。

张等人看着老鼠的行为和监管影响msc在钛基板biofunctionalised nano-sawtooth结构(54]。过氧化氢(H₂O₂)被用来制造两个表面与nano-sawtooth结构不同维度,称为Ti-6 Ti-24。治疗H₂O₂6小时生产nano-sawtooth结构近似的宽度10 nms和间隙距离(距离nano-sawteeth) 100 - 200海里。增加治疗时间24小时生产的第二表面,这显示nano-sawtooth 30 nm和隙宽度200 - 300海里的距离。在高放大倍数下,表面显示一个相互联系的,纠缠的纳米结构网络。细胞粘附和增殖看着,发现大nano-sawtooth Ti-24表面有胶细胞存在明显多于Ti-6表面和光滑Ti控制。扩散也观察到在时间点Ti-24表面增强4和7天。nanosurfaces成骨的能力是通过观察分析矿化,与成骨的基因和蛋白质表达。高山被证明更积极nanosurfaces明显,同时增强钙沉积,与矿化矩阵被观察到在大型nano-sawtooth Ti-24表面。成骨基因Runx2 OCN, OPN使用实时qPCR进行分析,并显示有一个upregulation从5到10天nanosurfaces Ti控制相比,与大型nano-sawtooth Ti-24表面促进upregulation最大。支持基因的发现,成骨的蛋白质的表达OP和OC是调节nanosurfaces,最强Ti-24表面。使用大鼠msc、张等人能够证明nano-sawtooth结构钛,尤其是Ti-24表面,有能力调节骨通过增强附着力,扩散和多个参与分化成骨的因素。

TiO的使用₂纳米管控制MSC lineage-specific分化的研究了哦,et al .,它被发现,不同的纳米管维度提升翻天覆地的变化在人类MSC行为55]。TiO₂纳米管组装在钛基板通过阳极氧化,形成表面30、50、70和100 nm纳米管直径,分别。发现小直径碳纳米管引起细胞粘附但缺乏分化能力。相比之下,更大的纳米管表面促进细胞伸长和成骨分化,OPN阳性染色,证实了OCN后21天在文化、与定量实时PCR基因表达成骨的标记OCN OPN和高山14天后孵化。哦等人得出的结论是,大直径TiO₂纳米管表面(70 nm和100 nm)优越的msc诱导成骨分化的细胞骨架应力通过细胞伸长,然后解释为内部生物反应,引发成骨细胞内。使用nanotopographies控制和提高MSC分化是一个新兴的研究领域,就不足为奇了不同反应nanosurfaces已经出版。尤其是TiO₂哦等人报道,纳米管改性表面的最佳直径100纳米(55),公园等人已经观察到细胞凋亡在这个尺寸56),确定TiO₂纳米管的直径15 nm为细胞粘附和分化是最优的57]。为了进一步提高TiO的msc的反应₂表面纳米结构的表面,functionalisation生长因子目前正在研究。公园等人发现bone-morphogenetic-protein-2——(BMP-2)涂布TiO₂纳米管表面分别为15和100 nm,引起了明显不同的细胞反应(58]。BMP-2-coated 100海里TiO₂纳米管提升chondrogenic msc分化,相比15 nm BMP-2-coated纳米管增强成骨细胞的分化。赖与TiO等人进行类似的研究₂表面(30、60和100海里)functionalised BMP-2,尽管所有的表面可以提高表面的成骨的能力相比,相同的裸表面(59]。修改TiO的钛₂碳纳米管拥有潜力巨大影响MSC的行为和反应,尽管进一步的研究需要考虑冲突的出版物。获得有关TiO的深入评论₂纳米管对骨再生,请参阅bram et al。最近出版的60]。

随着纳米管nanotopographies被确认为一个感兴趣的领域,他们的结合微貌最近调查。赵等人用大鼠msc检查水平的成骨分化发生在钛基板装配式micropitted / nanotubular二氧化钛地形(61年]。为了模仿自然骨ECM的安排,一些地形创建通过酸腐蚀和/或阳极氧化。阳极氧化钛的5 V和20 V创建表面的二氧化钛纳米管25和80 nm大小,分别。创建混合在微米和纳米级表面特性,钛酸腐蚀了,当时在5 V和20 V,紧随其后的是阳极氧化形成纳米管的微酸蚀刻表面,表示微/ 5 vnt和微观/ 20 vnt。控制抛光(FlatTi)和酸蚀刻Ti (AcidTi)包括在这项研究。扩散似乎很大程度上受地形影响,尽管更高的细胞数量在场microsurfaces由于表面积增加。修改后的表面细胞的形态可以与细胞分化有关50),与msc位于修改表面扩展,多边形,和osteoblast-like外观,明显不同于细胞FlatTi和AcidTi表面上发现,小型和纤维母细胞相似。关于ECM, 2周后在文化、形成胶原蛋白被发现在修改后的表面密度相比控制。矿化分析了ECM的茜素红染色,发现所有表面,除了FlatTi,诱导矿化结节的形成。支持ECM数据,分析了某些成骨的基因的表达。发现地形引起的不同程度的基因表达,尽管20 vnt和微/ 20 vnt生产等重要基因的mRNA水平最高的高山,OCN, BSP。这可能与转导信号来自细胞扩展和调焦粘连观察微观/ 20 vnt表面。

这个观察重要的成骨基因的mRNA水平高的微/纳米表面也发现了Mendonca et al。62年用人类的msc。使用喷砂处理技术和腐蚀,Mendonca等人创造了一个和微地形对钛光盘nanofeatures(20 - 30海里nanofeatures可见通过SEM分析)。与100年钛光盘是喷砂μ米氧化铝粒子,然后沉浸在一个H₂所以₄/小时₂O₂解决方案给其二级nanofeatures表面,表面被称为纳米。表面光滑Ti (S)和只喷砂表面(Gb)也进行了研究。实时PCR是用来测量OCN mRNA水平,BSP、OPN, Runx2,高山,和Osterix (OSX)时间点3、7、14、28天。发现在14日和28天,Nanosurface能够三倍上调成骨基因Runx2和OSX很重要。Nanosurface也能够调节OCN(三倍),高山(38倍)和BSP(76倍),表明表面也能创作出一个增强成骨的反应相比,年代和Gb的表面。

在赵et al。(61年和Mendonca et al。62年]研究微米和nanosurface特性的组合(微/ 20 vntm和纳米)促进成骨的反应,为了更好地理解的作用大小不同表面特征对msc的成骨分化,Khang et al。执行一项研究sub-nano,纳米和亚微米表面进行分析(63年]。纯钛是通过电子束蒸发器放置到玻璃上滑落,和发现表面特性nano-submicron范围被证明是最具影响力的msc。结构上发现这450 nm厚混合~ 40纳米的表面有高度和宽度的~ 250纳米。成骨基因Dlx5和OSX被证明是调节鼠标msc在文化nano-submicron表面3天之后,与成骨的重要因素的upregulation OC、BSP, OP,胶原蛋白1。人类MSC对钛表面也研究,和nano-submicron表面又优越,增强粘附和增殖6和72小时。水平的OC、OP和骨粘连蛋白()也被证明是增强nano-submicron表面。虽然增加了表面积和nano-submicron表面的粗糙度可以占的一些增强成骨的反应,表面结构宽度的增加也可能导致msc的延伸和扩展,导致转移细胞细胞骨架的机械刺激成骨的生物反应。

使用不同的表面改性技术,即表面机械磨损处理(SMAT),赖昌星等人调查的行为治疗大鼠msc在钛(64年]。通过SMAT,钛可以制造纳米表面,由表层塑性变形的一个散装材料通过重复多向飞球的影响。描述SMAT处理显示之前和之后的表面粗糙度的增加从7.29海里29.53纳米,伴随着从66.5°水接触角下降到51.9°,这是一个测量的表面能,被认为是重要的骨整合(11,12]。Ti -细胞形态明显不同,SMAT-treated Ti (nano-Ti)。msc在原生钛表面相比,msc培养nano-Ti被发现是压力传播与成熟的肌动蛋白纤维。nano-Ti表面还发现促进更高的细胞生存能力。调查的能力nano-Ti刺激成骨诱导,赖昌星等人看着高山活动,ECM矿化作用,成骨的蛋白质,和mRNA表达重要的成骨的基因。发现nano-Ti表面显著增强这些成骨的因素,与底层机制认为是OC的表达,OPN,胶原蛋白1,Runx2。赖昌星等人能够提供另一种方法来创建nanotopographies散装钛、有前途的MSC粘附、增殖、分化的结果。进一步的工作,这种表面改性技术可以提高牙科和骨科植入物的能力。

6。结论

修改生物医学表面,用地形制作和化学信号,直接拥有巨大潜力的干细胞的命运以及所需的血统。专门为牙科、骨科植入物、msc成骨的反应,刺激快速新骨形成和骨整合。反过来,这种增强的反应将导致更短的治疗骨科和牙科设备的时候,由于增强MSC成骨分化导致早期骨附着和集成到植入物增加。同样,快速骨形成应该增加早期植入物的稳定性,防止一些失败机制如微动(关节成形术手术后常见的问题如刺)。地形的使用提供了进一步利用去除化学刺激需要直接所需的分化可能携带大量的问题在活的有机体内应用程序。通过修改认可的生物医学植入物材料的表面,骨科和牙科领域可以有可能将发生革命性的变化,通过增加植入效果通过触发msc的成骨分化。

本文总结的结果,许多研究表明,成骨分化的msc可以实现通过许多地形表面没有化学刺激物的存在修改,包括使用nanopillars,纳米管,nanopits, nanoislands, nanocraters, nanogrooves,和nanosawtooth结构,以及喷砂处理/酸蚀刻和SMAT技术。也通过分析这些研究普遍是技术使用和偶尔的广泛变化不同的结果。这一领域的研究具有巨大的潜力可能减少治疗时间植入后,尽管进一步的研究是需要澄清技术和规范是触发msc的成骨分化的最优选择。进一步,在活的有机体内纳米图案化材料的可能性,也有影响体外扩张再植术中使用的干细胞疗法。

确认

这项工作是由EPSRC、分子模型和材料科学工程博士学位中心,伦敦大学学院和Corin集团(英国赛伦塞斯特)。

引用

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