骨再生治療是一種用于修復(fù)損傷或缺陷骨組織的常見方法，鈦和鈦合金因力學(xué)性能、生物相容性和耐磨性被廣泛應(yīng)用于骨科植入物中。然而，其較差的骨整合性能限制了其臨床應(yīng)用，且人口老齡化和骨質(zhì)疏松等問題的增加，對植入物的需求和骨愈合難度也日益增加。因此，迫切需要開發(fā)具有良好骨結(jié)合性的鈦合金。

近期，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海市第九人民醫(yī)院楊盛兵研究團隊在復(fù)合材料研究領(lǐng)域的國際性學(xué)術(shù)期刊Composites Part B: Engineering（IF? 11.322）發(fā)表題為“Ga-containing Ti alloy with improved osseointegration for bone regeneration: In vitro and in vivo studies”的研究文章。該研究旨在通過制備含鎵鈦合金來改善鈦的骨整合，結(jié)果表明，鎵促進了磷灰石的形成和骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）的成骨分化，Ti - Ga合金的骨整合能力明顯高于純Ti，可延緩鈦合金骨整合不足引起的種植體松動，具有潛在的臨床應(yīng)用價值。并利用轉(zhuǎn)錄組測序和Western blot探究驗證Ga處理后，顯著促進骨礦化、骨形態(tài)、骨化和骨重塑相關(guān)基因的表達，同時Kegg結(jié)果進一步證明鎵可能通過Wnt信號通路和Hippo信號通路促進骨生成。

?研究材料

不同Ga量的Ti-Ga合金培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細胞

?技術(shù)路線

步驟1：對不同Ga量的Ti-Ga合金進行力學(xué)試驗和生物礦化研究；

步驟2：在Ti和Ti-Ga合金表面培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細胞，評估其活/死情況、細胞增殖和活力、粘附和擴散等指標，并測試合金提取物對細胞的影響；

步驟3：通過細胞培養(yǎng)、ALP染色、ARS染色、qRT-PCR、轉(zhuǎn)錄組測序和Western blot分析等評估Ti-Ga合金體外成骨活性;

步驟4：通過制備植入物、micro-CT掃描、成骨指標定量分析、組織學(xué)分析和生物安全性評價等評估Ti-Ga合金體內(nèi)成骨活性；

步驟5：處死植入Ti-Ga合金的大鼠，觀察病理變化，評估Ti-Ga合金在體內(nèi)的生物相容性和安全性。

?研究結(jié)果

1. Ti-Ga合金的表征

使用SEM元素映射法得出，鎵在Ti基體中得到了均勻分布，Ti-Ga合金的顯微硬度略高于純鈦合金，表明Ti-Ga合金的力學(xué)性能得到了改善。接著通過體外生物礦化試驗發(fā)現(xiàn)，大量羥基磷灰石晶體沉積在Ti-Ga合金表面，并隨著Ga含量的增加而增加，預(yù)測了Ti-Ga合金在體內(nèi)具有良好的骨整合性能。

2. Ti-Ga合金對大鼠BMSC增殖、細胞粘附和擴散的影響

研究者使用活/死染色和CCK-8檢測評估了Ti-Ga合金對大鼠骨髓間充質(zhì)干細胞的活力和增殖能力，結(jié)果顯示Ti-Ga合金對細胞具有良好的生物相容性，且無細胞毒性。研究認為，使用含有鎵的藥物比在鈦合金表面進行生物活性劑修飾或納米修飾更具有可靠的生物安全性和臨床轉(zhuǎn)化潛力。

使用DAPI染色和phalloidin染色觀察了BMSCs在Ti和Ti-Ga合金表面的粘附和擴散情況。粘附實驗結(jié)果顯示，經(jīng)過Ga處理后BMSC能夠牢固地粘附在培養(yǎng)盤底部，且Ga離子對BMSC粘附無不良影響。直接接種于Ti和Ti-Ga合金表面的BMSC表現(xiàn)出與提取液處理相似的粘附和擴散趨勢。24小時的提取物處理顯示出更好的拉伸形態(tài)和更細長致密的肌動蛋白絲，并且Ti-10ga和Ti-20ga提取物組細胞的擴散形態(tài)略好于純Ti組。

3. ?體外成骨評價

研究者采用ALP活性和鈣沉積檢查評價Ti-Ga合金的成骨作用。引入Ti-Ga合金提取物后，ALP染色明顯增加，表明Ga具有成骨作用，Ti-Ga組的骨髓間充質(zhì)干細胞表現(xiàn)出更高的ALP活性和更明顯的礦物沉積。通過轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，測定成骨分化相關(guān)基因的表達，發(fā)現(xiàn)Ga處理后，ALP、Col1a、OCN、OPN等成骨基因的表達顯著上調(diào)。

4.??成骨分化機制

采用轉(zhuǎn)錄組測序和定量驗證結(jié)果，研究Ti-Ga合金對成骨分化的影響。結(jié)果顯示，Ti-Ga合金可以通過正向調(diào)節(jié)多種成骨活性相關(guān)基因的表達，包括骨礦化、骨形態(tài)發(fā)生、骨化和骨重塑調(diào)節(jié)。進一步的實驗結(jié)果表明，Ti-Ga合金通過Wnt信號通路和Hippo信號通路促進成骨和成骨能力，并且可能通過下調(diào)gremlin促進成骨細胞分化并增敏BMP。綜上所述，Ti-Ga合金具有多靶點過程促進成骨分化的作用。

5.??體內(nèi)骨整合評價

研究者構(gòu)建了大鼠髓內(nèi)釘模型，評估了Ti-Ga合金在體內(nèi)的骨整合能力。通過Micro-CT掃描和定量分析發(fā)現(xiàn)，在植入后8周，Ti-20Ga合金組新形成的BV較多，Tb較高，說明其具有更好的骨整合效果。

6.??Ti-Ga合金種植體體內(nèi)骨整合的組織學(xué)分析

術(shù)后4周，進一步進行亞甲基藍和Masson染色分析，探討Ti-Ga合金在體內(nèi)的骨整合情況，結(jié)果顯示，在純鈦組中，新形成的骨包圍了種植體表面，并伴有空隙，阻止新骨直接接觸種植體表面；而Ti-Ga合金周圍也形成間隙，但該區(qū)域種植體表面與骨界面的連接良好，表明Ti-Ga合金具有良好的骨整合效果。

7.??Ti-Ga合金生物安全性體內(nèi)評價

純Ti和Ti - ga合金實驗組術(shù)后4周處死大鼠，評價植入物的體內(nèi)生物安全性。與純Ti組相比，Ti - ga合金組的心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟組織的H&E染色未見異?；虿±硇螒B(tài)學(xué)變化。

?小編小結(jié)

本研究通過將生物活性金屬Ga引入純鈦合金中，改善了傳統(tǒng)種植體骨整合不足的問題，并對Ti-Ga合金的顯微組織和力學(xué)性能進行了表征。體外和體內(nèi)實驗結(jié)果表明，Ga離子可以增強骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨作用，在大鼠髓內(nèi)釘模型中表現(xiàn)出良好的骨整合效果。轉(zhuǎn)錄組分析闡明了Ga離子的成骨機制，包括上調(diào)多種成骨相關(guān)基因的表達、下調(diào)gremlin基因的表達等，KEGG結(jié)果也證明鎵可能通過Wnt信號通路和Hippo信號通路促進骨生成。總的來說，Ga可以有效改善鈦合金骨整合不足的情況，是一種有前途的骨科種植材料。

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