通过凝血酶激活的高浓度血小板血浆自组装提高骨植体的免疫调节和骨整合

2025-02-05 Wed
增强骨植入物的免疫调节和骨整合：基于凝血酶激活的富含血小板血浆(PRP)自组装技术的研究详解背景介绍为了应对骨缺损修复的挑战，骨植入物在现代医学中发挥着至关重要的作用。然而，现有骨植入材料如聚醚醚酮（Polyetheretherketone，简称PEEK）尽管在化学稳定性、弹性模量和成像兼容性方面具有显著优势，却面临着一个最主要的障碍：生物惰性。生物惰性会阻碍植入物与周围骨组织的整合进程，进而引发术后炎症、骨吸收甚至植入物失效。
为了解决这一问题，植入物表面通常会引入生物活性物质。然而，这些外源性物质因可能引发免疫排斥，或因影响其表面机械性能而备受限制。另一方面，富含血小板血浆（Platelet-Rich Plasma，简称PRP）作为一种自体衍生的生物活性液体，因其富含生长因子（如转化生长因子TGF、血小板衍生生长因子PDGF和血管内皮生长因子VEGF），在促进骨生成、血管生成和免疫调节方面展现出巨大潜力。然而，如何将PRP有效固定在PEEK表面，与植入物形成持续释放生物因子的凝胶层，仍然是一大科学难题。
为了解决这一问题，本文首次尝试将凝血酶（Thrombin）通过化学键合技术固定到PEEK表面，以保留其酶活性，从而在PEEK表面实现PRP的自组装凝胶化。凝血酶作为多功能丝氨酸蛋白酶，在激活PRP的过程中扮演重要角色，其精细的分子结构和活性位点保护是本研究成功的关键。
来源与作者信息这项研究由Xiaotong Shi、Zongliang Wang等作者完成，分别来自中国科学院长春应用化学研究所、中国首都医科大学附属北京友谊医院以及吉林大学第一医院。文章发表于2025年，发表于高影响力期刊《Advanced Healthcare Materials（Adv. Healthcare Mater.）》。
研究流程详解1. PEEK表面凝血酶的固定化本研究的第一步是通过多步骤的化学修饰使凝血酶能够牢固地附着在PEEK表面：
- PEEK表面活化：
使用220目砂纸对PEEK样品进行机械处理，以赋予其粗糙结构，增强后续修饰的附着力。
- 表面羟基化：
采用硼氢化钠还原法激活PEEK表面，使其羰基转化为羟基，并进一步通过N，N’-二琥珀酰亚胺碳酸酯（dsc）活化羟基杨生成活性化学基团。
- 凝血酶固定：
地固定以不同浓度（50、100和200 U/ml）制备的凝血酶溶液，并使其反应24小时，最终生成凝血酶修饰PEEK（sp-pk-thr）。
2. 凝血酶修饰效果的表征通过SEM观察、FTIR光谱分析、水接触角测量和酶活性评价，本研究确认了：
- 表面微观结构因修饰发生显著变化（SEM和EDX结果显示氮含量显著增加）。
- 理想的凝血酶浓度为100 U/ml，进一步增加浓度并未提高其酶活性。
3. PEEK表面PRP凝胶的自组装以凝血酶修饰PEEK表面为基底，研究人员通过在PEEK表面加入不同血小板浓度（1、3和5倍）的PRP溶液，探讨其在凝血酶激活下的自组装行为：
- 自组装表面测试：
通过SEM图像确认，较低血小板浓度的PRP难以形成连续的凝胶层，而3倍和5倍浓度的PRP则形成了具有完备多孔结构的凝胶。
- 生长因子释放：
通过ELISA实验，发现高血小板浓度PRP凝胶可持续释放PDGF-BB和VEGF长达16天。
研究结果与分析细胞实验：
MC3T3-E1、HUVEC和RAW264.7细胞的Viability、省菌、增殖实验证实，PRP修饰的PEEK能显著提高细胞的附着、增殖及迁移能力。特别是在5倍血小板浓度下，细胞增殖效果最佳。
生骨与血管生成：
ALP和ARS检测： 在7/14天后，具有PRP修饰组表现出更强的碱性磷酸酶活性和钙沉积能力。
管腔形成实验： PRP功能化PEEK显著推动HUVEC的管腔生成。
免疫调节功能：
PRP修饰组在RAW264.7细胞实验中通过减少iNOS的表达及提高CD206的表达，表明其能够促进M1向M2的极化，有助于抑制炎症并增强修复。
动物实验：
在大鼠胫骨缺损模型中，PRP修饰组表现出显著的BV/TV、Tb.N和Tb.Th增加，而Tb.Sp显著减少。同时，组织免疫荧光显示PRP组的OCN和OPN表达显著增强，证实其在促进成骨方面的优势。
研究意义与价值该研究开创性地利用凝血酶固定技术将PRP功能化引入到PEEK表面，不仅赋予PEEK生物活性，还利用PRP的免疫调节和组织修复特性，显著提升骨整合能力。其应用前景包括但不限于以下几个方面：
- 广泛用于临床骨缺损修复与植入物研发；
- 为自体来源生物材料的高效利用提供范例；
- 提供关于生物表面修饰的先进工具与技术路径。
本研究不仅解决了PRP与PEEK表面结合的难题，更为下一代植入物材料的发展提供了理论与技术依据。未来的优化方向包括更进一步提高血小板浓度对生物活性的有效性，以及在三维打印PEEK支架上的应用潜力。
亮点总结首次提出并验证凝血酶-PRP技术应用于PEEK表面自组装改性。
开创了优化PRP加载浓度与持久生物因子释放的新路径。
强调PEEK表面修饰在生物活性、成骨效果、血管生成和免疫调节上的多重提升。
通过这一研究，植入物领域的研究进展得以向更好的生物功能性、高效性和低风险方向迈进。