俗話說，牙好，吃嘛嘛香。不過隨著年齡的增長，牙齒難免會松動和脫落，這時種牙就成為一個不錯的選擇。可是，老年人往往患有骨質疏松癥等骨代謝相關疾病，這會導致破骨細胞過度分化和骨形成減少，從而引起骨重塑過程的失衡，使患者恢復困難。

以往的研究發現，多巴胺（DA）有望解決這個問題，它能夠促進成骨細胞并抑制破骨細胞生成。然而，目前的植入物無法搭載多巴胺等骨活性分子。為此，北京大學口腔醫院種植科的研究人員開發出一種植入物表面改性方法，能夠實現多巴胺的可控釋放，并增強鈦植入物抵抗骨吸收和促進骨再生的能力。該篇研究文章已發表在《Materials Science and Engineering: C》雜志上。
 

                             
⭐研究思路和技術路線
這項研究的思路是創建一種帶有水凝膠涂層的鈦植入物，將多巴胺緩控釋放到微環境中，并探索其對骨重塑的調控作用以及多巴胺的最佳濃度。這種生物活性涂層可提高鈦表面抵抗骨吸收和穿透骨組織的能力，在促進骨再生方面顯示出良好的前景。
                         
① 研究人員首先在鈦表面制備了含有多巴胺的水凝膠涂層，并測定了其物理和化學性質，以及多巴胺的釋放能力。之后，他們用小鼠單核巨噬細胞RAW264.7和人骨髓間充質干細胞hBMSC開展體外實驗，評估含有多巴胺的涂層對骨形成和骨吸收的影響。
② 他們在帶有水凝膠涂層的鈦板上培養細胞，之后評估了細胞的存活和增殖能力。對于RAW264.7細胞，他們采用qRT-PCR和Western Blot分析檢測了與破骨細胞生成相關的基因和蛋白表達。對于hBMSC細胞，他們還利用賽業OriCell®提供的hBMSC成骨誘導分化試劑盒來誘導成骨分化，并評估水凝膠涂層對該過程的影響（圖1）。
 

圖1.實驗流程圖

                        
⭐研究結果
✔制備帶有水凝膠涂層的鈦板
研究人員對純鈦板進行清洗和處理后，將其定義為SLA鈦。之后他們在SLA肽的表面上形成碳酸鈣（CaCO₃），然后將含有多巴胺的水凝膠前體溶液（AlgR@DA）加載到界面上并孵育。最后，將處理后的樣品浸入CaCl₂溶液中以交聯水凝膠（圖2）。

圖2. SLA鈦表面包被AlgR@DA水凝膠的示意圖

                
他們發現，球霰石碳酸鈣可以顯著增強水凝膠和鈦板之間的界面結合。他們通過搭接-剪切粘合拉伸試驗來評估包被了水凝膠的碳酸鈣改性SLA鈦表面的粘合強度。結果表明，鈣離子交聯10分鐘后的剪切強度為41.5kPa。球霰石晶體在界面處形成了連續的礦物層，從而擴大了鈦基的接觸面積，提高結合強度。此外，他們還發現水凝膠涂層能夠在兩周時間內穩定釋放多巴胺，表明它具有一定的多巴胺控制釋放能力。

✔水凝膠涂層抑制破骨細胞分化
之后，研究人員在RAW264.7細胞上開展了進一步的分析，這是體外研究破骨細胞的經典細胞系。他們發現，在水凝膠修飾材料表面培養細胞時，適當濃度（10-1000μM）的多巴胺不影響細胞增殖。qRT-PCR結果表明，多巴胺抑制了破骨細胞特異性基因（Cathepsin K、MMP-9、NFATc1和TRAP）的表達（圖3）。
 

圖3. 不同界面對破骨細胞特異性基因表達的影響

RANKL（NFκB受體活化因子配體）的處理可誘導RAW264.7細胞的破骨細胞分化，并導致破骨細胞特異性基因的表達發生變化。由于NFATc1活化和核轉位在破骨細胞標志物基因的轉錄調控中起主導作用，他們接下來評估了界面對RANKL誘導的NFATc1活化的影響，采用免疫熒光染色來檢測NFATc1的表達和核轉位。結果表明，在加入100μM和1000μM AlgR@DA后，NFATc1的表達和核轉位明顯減弱。這些結果顯示，水凝膠涂層抑制了破骨細胞的成熟和分化。多巴胺則進一步抑制了這一過程并減少了NFATc1的核轉位。
                              

有意思的是，他們還發現與傳統的游離形式給藥相比，多巴胺以受控方式從鈦涂層中釋放能夠更有效地抑制破骨細胞生成，而且涂層和多巴胺表現出極大的協同作用。
      
✔水凝膠涂層促進BMSC的成骨分化
為了確定多巴胺涂層材料調節骨重塑平衡的最佳濃度，研究人員接著在hBMSC上開展分析。BMSC具有多分化潛能，能夠分化成成骨細胞、軟骨細胞及其他細胞。他們分析了涂層對hBMSC成骨分化的影響，并評估了堿性磷酸酶（ALP）的活性，它的表達是成骨分化的一個明顯特征。結果表明，在成骨誘導后的第7天，與對照相比，多巴胺載藥組觀察到更高的ALP活性。在第14天，100μM多巴胺組的ALP活性最高。這些實驗結果顯示，對于BMSC的成骨分化，加入適當濃度多巴胺的水凝膠涂層能夠促進成骨反應，而且在多巴胺濃度為100μM時效果最佳（圖4）。
 

圖4. 含有多巴胺的水凝膠涂層調控骨重塑的示意圖

    
⭐總結
在這項研究中，研究人員成功地在粗糙的鈦表面上制備了一層生物活性水凝膠，這層水凝膠可持續穩定地釋放多巴胺。結果表明，水凝膠涂層可抑制TRAP活性，而釋放到微環境中的多巴胺可進一步抑制破骨細胞分化，同時促進BMSC的粘附和成骨分化。這種方法有望解決骨代謝疾病患者的種植相關問題。
        

⭐原文檢索：

Mingyue Wang, Chenxi Wang, Yu Zhang, Ye Lin. Controlled release of dopamine coatings on titanium bidirectionally regulate osteoclastic and osteogenic response behaviors. Materials Science and Engineering: C, Volume 129, 2021, 112376. https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112376.