浙大高长有/杨国利《Biomaterials》：表面接枝超支化聚赖氨酸的钛种植体实现抗感染、促骨结合双功能
来源：浙江大学
临床上，牙科和骨科领域对种植体的需求正不断扩大。钛及其合金由于其优异的力学性能和抗逆性，良好的生物相容性，在植入器械领域有着广泛的应用。然而，纯钛植入体不具备抗菌性能且生物活性不足，容易造成感染和松动，而种植体松动以及感染引起的种植体周围炎是导致种植失败的主要原因。并且，对于同时罹患糖尿病或者骨质疏松的患者而言，对抗感染及促骨结合功能的种植体的需求更为迫切。当前对具有其中某一功能的改性钛植入体的研究已非常广泛，但是如何通过简单可靠的方法，制备兼具抗菌及促骨结合功能的种植体并确保其安全性，仍是一项巨大的挑战。
e-聚赖氨酸因其具有优异的广谱抗菌性，在日本等国家已被用于产业化的食品添加剂中，而a型的聚赖氨酸（PLL）常用于增强细胞粘附。超支化聚赖氨酸同时具有以上两种结构单元。由于其聚阳离子的特性，目前超支化聚赖氨酸在基因传递、药物载体领域的研究较为广泛，用于组织修复领域的研究则较少见。
近日，浙江大学高长有教授团队与杨国利团队合作，提出一种简单实用的方法，以3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）为偶联剂，将超支化的聚L-赖氨酸（HBPL）接枝到碱热处理过的钛表面，实现抗菌及促成骨的双重功能。体外实验表明，表面修饰HBPL的材料对大肠杆菌（92.2%）和金黄色葡萄球菌（89.4%）都具有非常好的抗菌效果，同时材料还能促进小鼠前成骨细胞MC3T3-E1的粘附、铺展、增殖和分化等一系列行为。
图1. 超支化聚赖氨酸修饰的种植体表面结构、功能及动物模型示意图。
构建金黄色葡萄球菌感染的大鼠骨缺损模型，将表面修饰超支化聚赖氨酸的植入体植入3天后，与对照组相比，种植体表面和髓腔中的细菌数目明显减少，抗菌效果良好。同时，HE染色及CD68染色实验表明，与对照组纯钛相比，表面有超支化聚赖氨酸涂层的种植体能减弱组织的炎症反应。血清中肝肾功能相关指标也未见异常，说明植入体的生物安全性良好。Micro-CT及Masson染色实验表明，Ti-HBPL组的种植体相比于纯钛组能更好地促进新骨的形成，促进种植体与组织之间的整合，并且这种促进作用在感染组中更加明显。
图2. 金黄色葡萄球菌感染的大鼠骨缺损模型，种植体植入3天后的抗菌性能、炎症及生物安全性评价。（A）稀释涂布平板法统计种植体表面及髓腔中的细菌数的照片。（B）和（C）分别为种植体表面及髓腔中菌数目的统计结果。（D）种植体植入3天后血清中ALT、AST、BUN和Cr的水平。（E）组织切片的HE染色。（F）组织的CD68染色荧光照片（红色：CD68蛋白；蓝色：细胞核；箭头：多核巨细胞）。（G）CD68阳性细胞的面积百分比定量分析。
图3. 植入4周后，种植体的骨结合性能评价。（A）micro-CT观察种植体周围的新生骨。种植体骨结合率（B）、骨体积分数（C）、骨小梁数目（D）以及骨小梁间隙（E）的多重比较分析。骨-种植体界面的Masson三色染色照片（F）及定量分析（G）.
以上相关研究成果以“Covalent grafting of hyperbranched poly-L-lysine on Ti-based implants achieves dual functions of antibacteria and promoted osteointegration in vivo”为题发表在《Biomaterials》（10.1016/j.biomaterials.2020.120534）上。论文第一作者为浙江大学高分子科学与工程系硕士研究生杨志坚，共同第一作者为浙江大学医学院附属口腔医院博士生席月；浙江大学高长有教授、浙大口腔医院副主任医师杨国利为共同通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120534