提供者：奥影检测科技（上海）有限公司 发布时间：2025/10/9 11:52:41 阅读次数：430次 进入该公司店铺
近期，西安医科大学附属唐都医院研究团队在国际知名期刊《BioactiveMaterials》上发表了一项重要研究成果。该研究通过体内外实验结合微焦点CT成像系统，揭示了具有多重自由基清除活性的“类纳米酶”氧化铈涂层在骨免疫调节和血管化骨整合中的应用，特别是针对骨-植入物界面的免疫微环境调控。这项研究的作者为ShusenBao老师。
研究摘要
针对骨科疾病治疗中术后无菌性松动的问题，骨整合是一个在骨-植入物界面发生的整体过程，依次涵盖免疫调节（例如巨噬细胞极化）、血管生成和骨生成。为实现早期快速且理想的骨整合，本研究通过水热法在钛合金（TC4）表面合成了不同纳米形态（纳米锥、纳米多面体和纳米花，分别缩写为NC、NP和NF）的二氧化铈（CeO₂₋ₓ）涂层，这些涂层具有“类纳米酶”活性，能够清除多种自由基并调节骨免疫。体外细胞实验表明，纳米CeO₂₋ₓ涂层的TC4不仅能诱导RAW264.7细胞向M2表型极化，还能促进内皮细胞的血管生成和血管化，同时推动成骨前体细胞的分化和矿化。在大鼠股骨髁模型中，进一步证实了M2极化巨噬细胞、血管生成和骨再生的改善。在这三种纳米形态中，NF表现出最佳的骨整合效果。RNA测序和机制探索显示，抑制PI3K-AKT信号通路对于NF的免疫调节能力至关重要。本研究为骨科植入物的免疫调节开发提供了有前景的思路。
取材与研究方法
图1.NC、NP和NF形状的氧化铈涂层宏观/微观粗糙钛合金（TC4）的结构表征。(A)低倍和高倍扫描电子显微镜（SEM）图像。(B)(A)中黄色标记区域的能谱（EDS）光谱。(C)从相应涂层刮下的NC、NP和NF形状氧化铈的透射电子显微镜（TEM）图像，包括明场图像、插入的能谱（EDX）光谱、选区电子衍射（SAED）图案和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。
图2.(A)铈（Ce）3d的X射线光电子能谱（XPS）峰区分；(B)激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）图像；(C)原子力显微镜（AFM）图像；(D)总抗氧化能力；(E)超氧化物歧化酶（SOD）活性；(F)过氧化氢酶（CAT）活性，测试对象为NC、NP和NF形状的氧化铈涂层（+:阳性对照）。*p<0.05。
图3.RAW264.7细胞在TC4、NC、NP和NF上的表型极化及自由基清除能力：(A)培养3天时RAW264.7细胞中诱导型一氧化氮合酶（iNOS，红色）、分化簇206（CD206，绿色）和细胞核（蓝色标记）的荧光图像，以及(B)iNOS和(C)CD206的相对荧光强度。(D)培养48小时时RAW264.7细胞中活性氧（ROS）和一氧化氮（NO）的荧光图像，以及(E)ROS和(F)NO的相对荧光强度。(G)培养3天时RAW264.7细胞分泌的血小板衍生生长因子-BB（PDGF-BB）和(H)骨形态发生蛋白2（BMP2）的浓度，以及培养3天和7天时分泌的(I)肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和(J)白细胞介素-10（IL-10）的浓度。*p<0.05。
图4.分别在直接刺激样本（DSS）和条件培养基（CM）模式下，人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的血管生成情况。(A)24小时时，Transwell小室膜上侵袭的HUVECs的结晶紫染色图像，(B)侵袭细胞计数。(C)0小时和12小时的划痕图像，(D)HUVECs迁移长度的量化结果。(E)HUVECs的血管管腔形成图像，(F)12小时时总毛细血管长度，(H)每视野分支点数量。(G)5天时HUVECs中CD31（红色）和内皮粘蛋白（Emcn，绿色）的荧光染色图像及相对强度。*p<0.05。
图5.MC3T3-E1细胞的黏附、成骨分化和矿化：(A)在直接刺激样本（DSS）模式下培养3天的MC3T3-E1细胞中，F-肌动蛋白（绿色）、纽蛋白（红色）和细胞核（蓝色）的荧光染色图。(B)MC3T3-E1细胞在14天的碱性磷酸酶（ALP）染色代表性图像，(C)分别在DSS和条件培养基（CM）中共培养21天的MC3T3-E1细胞矿化结节的茜素红染色图像。(D、E)7天和14天的定量ALP活性，(F)21天矿化结节的定量分析。*p<0.05。
图6.RAW264.7细胞在NF和作为对照的TC4上培养3天后的RNA测序分析，以及对炎症反应抑制作用的验证。(A)火山图，(B)热图，(C)差异表达基因的基因本体（GO）通路富集分析，(D)京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析。(E)差异调节通路的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析。(F)RAW264.7细胞中炎症相关信号通路的代表性蛋白质免疫印迹。(G)使用KEGG和基因组数据库对调控基因通路进行的富集分析。(H-J)RAW264.7细胞在有和没有740Y-P处理（以NF和TC4为对照）下，诱导型一氧化氮合酶（iNOS，红色）/分化簇206（CD206，绿色）的代表性免疫荧光图像及其相对荧光强度，以及(K)CCR-7和(L)Arg-1的mRNA表达。*p<0.05。
图7.大鼠股骨髁植入螺钉周围组织的荧光染色图像：(A)植入1周时活性氧（ROS）的荧光染色图像；(B)植入1周时CD86（红色）、CD206（绿色）和细胞核（蓝色）的荧光染色图像；(C)植入2周时CD31（绿色）、内皮粘蛋白（Emcn，红色）和细胞核（蓝色）的荧光染色图像。(D)ROS的相对荧光强度和(E)NO水平。(F)CD86、(G)CD206、(H)CD31和(I)Emcn的统计学相对荧光强度。*p<0.05。
CT表征结果
图8.大鼠股骨髁植入裸露及纳米涂层TC4螺钉后1、2、4和6周时的骨整合情况：(A)螺钉（白色）周围新形成骨（黄色）的Micro-CT重建图像；(B)螺钉相邻新骨的Masson染色图像；(C)螺钉相邻新骨的VanGieson（VG）染色图像（NB：新骨；BM：骨髓）。(D)重建螺钉周围新骨体积与总面积的定量比值（BV/TV，%）；(E)骨小梁数量（Tb.N，1/mm）；(F)由Micro-CT重建图像计算得到的骨小梁厚度（Tb.Th，1/mm）。(G)Masson染色的骨面积百分比。(H)由VG染色图像计算得到的新骨体积定量百分比（BV，%）以及(I)骨-植入物接触比（BIC，%）。*p<0.05。
新骨形成量化分析：纳米氧化铈涂层（尤其是NF组）在植入后不同时间点显著促进了新骨形成，其骨体积分数（BV/TV）、骨小梁数量（Tb.N）和骨小梁厚度（Tb.Th）均显著高于对照组TC4。例如，术后6周时，NF组的BV/TV达到约80%，明显优于其他组（图8A-D）。
涂层效果对比：新骨形成量呈现NF>NP>NC>TC4的趋势，其中NF组在术后4周已形成连续成熟骨，而TC4组仅有少量新骨（图8C-H）。
血管化支持：NF涂层通过促进H型血管（CD31^hi/Emcn^hi）形成，为骨再生提供了有利的血管微环境（图7C-I）。
研究结论
本研究通过水热法在钛合金（TC4）表面制备了具有清除多种自由基功能的纳米形貌（NC、NP和NF）二氧化铈（CeO₂₋ₓ）涂层，其作用相当于纳米酶。纳米CeO₂₋ₓ涂层（尤其是NF）通过清除ROS和NO，诱导有利于骨免疫调节和血管化骨整合的M2极化巨噬细胞。体外实验中，纳米CeO₂₋ₓ涂层（尤其是NF）在DSS和CM模式下表现出明显的血管再生和成骨作用，CM模式由于M2巨噬细胞分泌的抗炎细胞因子和生长因子而表现出更显著的增强效果。大鼠股骨髁中纳米CeO₂₋ₓ涂层TC4螺钉周围组织的炎症、血管生成和成骨情况进一步证实，NF具有骨免疫调节和骨整合功能。其潜在机制是NF抑制了在巨噬细胞极化中起关键作用的巨噬细胞PI3K-AKT信号通路。总之，具有清除多种自由基功能的纳米CeO₂₋ₓ涂层有助于免疫调节和随后的骨整合，为骨植入物的表面结构和化学设计提供了有前景的思路。
原始文献
[1]ShusenBao,DongmeiYu,ZhenTang,etal.Conｆormationallyregulated“nanozyme-like”ceriumoxidewithmultiplefreeradicalscavengingactivitiesforosteoimmunologymodulationandvascularizedosseointegration[J].BioactiveMaterials,2024,34:64-79.https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.12.006
论文应用设备
此外，AX-2000CT还适用于生物陶瓷、聚合物支架等生物材料及相关组织样本的无损三维分析，为科研人员提供高对比度的微观结构可视化数据。该技术通过捕捉材料孔隙率、界面结合特征等关键参数，为阐明骨植入物表面改性对骨组织的界面作用提供三维可视化依据。
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