上海硅酸盐所在钛植入体骨免疫调控的机理研究中取得新进展

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所郑学斌研究员与曹韫真研究员等开展合作，在钛植入体对巨噬细胞炎症功能调控的机理研究中取得新进展。相关研究以“Unveiling the Mechanism of Surface Hydrophilicity-Modulated Macrophage Polarization”为题发表在Advanced Healthcare Materials. 2018, 1800675 (DOI:10.1002/adhm.201800675) 杂志上（该论文第一作者为上海硅酸盐所在读博士研究生吕林）。

相关研究背景

钛及钛合金是常用的骨植入材料，当其植入人体后，体内免疫系统会识别为外来的异物，产生免疫反应。巨噬细胞是骨免疫反应的主要效应细胞，其功能性表达会影响随后的成骨细胞系行为。钛植入体表面的二氧化钛（TiO2）钝化膜是植入体直接与巨噬细胞接触的物质，对于其骨整合具有重要意义。

相关研究工作

研究人员利用原子层沉积技术结合紫外辐照及自组装单分子层方法，在不改变植入体表面形貌的基础上构建TiO2亲水薄膜和疏水薄膜，并形成亲水与疏水条带相间的结构。结果表明，相比于疏水表面，亲水TiO2薄膜表面更有利于巨噬细胞向抑炎症的M2极化表型转变，在亲/疏水条带相间表面能清晰观察到巨噬细胞形态的差异。M2型巨噬细胞通过分泌较多的相关因子促进前成骨细胞的成骨分化和矿化，对骨组织修复产生有利影响。

相关机理研究发现，TiO2薄膜表面的亲水性可通过影响两种特异性蛋白（纤连蛋白/FN和纤维蛋白原/FG）的构象来调节巨噬细胞的炎症功能。亲水表面的FN活性更高，细胞识别位点RGD更加暴露；而疏水表面的FG活性更高，γ链中细胞识别位点P1、P2片段更加暴露。巨噬细胞通过β1和β2整联蛋白分别识别FN和FG，因此亲水表面巨噬细胞β1整联蛋白表达较高，而疏水表面β2整联蛋白更易表达。进一步研究表明，β1和β2整联蛋白能够分别激活细胞内PI3K/Akt信号通路和NF-κB信号通路，相应地促进细胞向抑炎症（M2）和促炎症（M1）表型极化。

TiO2亲水薄膜和疏水薄膜以及亲水-疏水条带相间薄膜的制备

TiO2薄膜亲水性对巨噬细胞粘附形态的影响

钛植入体表面亲水性调控巨噬细胞极化表型机理示意图

该工作得到了国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助与支持。