用于骨肉瘤治疗和增强骨整合的骨植入物多功

骨肉瘤是一种侵袭性恶性肿瘤，主要发生于儿童和青少年。常见的治疗策略是手术，一些患者还需要假体置换。假体置换治疗骨肿瘤后，肿瘤细胞的不完全去除是主要挑战。此外，对抗植入物相关感染并同时促进骨整合是骨科植入物的高度需求，因此，同时产生肿瘤治疗效果、抗菌活性和成骨作用的多功能涂层具有临床意义。因此，在钛骨植入物上制作了由稀土元素-掺杂二氧化钛纳米铲/槲皮素/L-精氨酸（TiO2

UCN/Qr/LA）组成的光疗平台。水热法制备的稳定纳米铲结构提高了钛的光热转换能力。Yb和Er的结合增强了上转换能力，从而在暴露于近红外II(NIR-II)光期间促进了活性氧(ROS)的产生。此外，在ROS的作用下，L-精氨酸被催化释放一氧化氮(NO)自由基。体外和体内实验表明，ROS、槲皮素和NO的联合作用不仅在48℃的温度下抑制骨肿瘤生长，而且在45℃的温和温度下照射可消除Ti植入物上的金黄色葡萄球菌生物膜使用1,nm激光。此外，TiO2

UCN/Qr/LA促进血管生成和成骨分化，减少炎症，并加速新骨组织的形成。

研究内容

01

经过碱热反应后，在Ti板上形成了模仿新月铲的均匀纳米结构，涂层厚度约为nm。在掺杂Yb和Er并浸入Qr和LA溶液后，样品的形貌和粗糙度基本不变。从TiO2

UCN的划痕颗粒获得的TEM图像表明，掺杂稀土元素不会改变TiO2的（）面，晶格间距为0.35nm。EDS证实Yb和Er均匀分布在TiO2纳米铲上。在超声处理20分钟或在室温下在PBS中浸泡90天后，纳米铲稳定并很好地粘附在基材上。XRD谱中54.1°和70.2°的衍射峰进一步证实了锐钛矿相TiO2纳米铲的成功制备。TiO2

UCN、TiO2

UCN/Qr和TiO2

UCN/Qr/LA的XRD谱与TiO2相似，表明掺杂稀土元素和接枝活化因子不会改变TiO2的结构。

图1.工艺流程示意图TiO2

UCN/Qr/LA纳米铲在钛种植体上的应用

图2.（A）没有形象TiO2

UCN/Qr/LA；（B）原子力显微镜图像TiO2

UCN/Qr/LA；（C）纳米电铲的TEM图像和元素图TiO2

UCN

02

骨种植体界面骨整合的先决条件是血管生成，通过在样本上培养HUVEC来研究血管生成活性。所有样品在有或无辐射的情况下均未显示出明显的细胞毒性。特别是TiO2

UCN/Qr/LA组促进HUVECs增殖归因于NO。VEGF分泌是HUVECs活性的指标和血管生成的关键因素，HUVECs分泌的VEGF水平通过ELISA定量。与荧光染色类似，只有TiO2

UCN/Qr/LA组VEGF分泌增多。通过含有ECMatrix的血管生成试剂盒评价HUVECs的血管生成能力?凝胶在培养过程中，HUVEC在4小时后开始自组装，形成分支节点和网状环。8小时后，分枝环和网状环扩大，12小时后可看到平行管状细胞系。点和圆的数量以及管道的形状TiO2

UCN/Qr/LA组在同一时间点与其他组相比显著增加。先前的研究表明，血管系统中的扩散对血管通透性和长期反应（如HUVEC存活、迁移和增殖）没有影响。同时，NO可以上调VEGF的表达，从而促进血管生成。另一方面，活性氧催化的LA可以产生具有良好生物相容性的L-瓜氨酸，这也可能影响细胞的生理功能。同时，丰富的血管网络为成骨细胞和骨诱导生长因子提供必要的营养和氧气，从而增强骨整合。

图3.Ti、TiO2的体外血管生成评价

03

鉴于TiO2

UCN/Qr/LA在体外，建立裸鼠异种移植模型，评价其在体内的效果。记录光热效应。骨肉瘤组织的温度上升到48度?C在以下情况下4分钟内：TiO2

UCN/Qr/LA肿瘤用1激光照射，但纯钛的温度仅为40.6℃?C同时，周围组织的温度比骨肉瘤组织的温度低，损伤小。肿瘤体积变化的钛和钛TiO2

UCN/图7C显示了第0天和第15天有无光照的Qr/LA组。很明显，Ti、Ti和Ti的肿瘤TiO2

UCN/Qr/LA组在15天后增加，但与之相反，Qr/LA组在15天后增加TiO2

UCN/Qr/LA组体积明显减少。为了进一步量化抗骨肉瘤的效果，计算相对肿瘤体积（V/V0）并称重肿瘤（图7D和7E）。光触发治疗后，肿瘤的相对体积TiO2

UCN/Qr/LA组降至0.，重量为0.g，显示出良好的抗肿瘤活性。钛组和钛组肿瘤的发展趋势基本一致，肿瘤相对体积增加到6，重量增加到1.5g左右，说明单纯激光照射不能根除肿瘤。这个TiO2

UCN/由于Qr对癌细胞的抑制作用，Qr/LA组的抗骨肉瘤能力也较弱[48]。HE和TUNEL染色显示肿瘤细胞广泛坏死TiO2

UCN/Qr/LA组，其余各组均有大量骨肉瘤细胞。同时，用Ki-67抗体对肿瘤切片进行染色，观察不同组肿瘤细胞的增殖活性。这个TiO2

UCN/Qr/LA组的细胞增殖可忽略不计，而在Ti、Ti和Ti治疗组的Ki-67染色图像中观察到明显的肿瘤细胞增殖TiO2

UCN/Qr/LA组，证实了显著的体内治疗效果。

图4.骨肉瘤的体内治疗

04

?????研究了生物膜覆盖的植入物上新骨的形成。植入四周后，通过显微CT和组织学染色观察植入物周围新形成的骨。重建的3D图像，新骨显示为灰色，植入物显示为粉色。大鼠的新骨量TiO2

UCN/Qr/LA组大于Ti、Ti和TiO2

UCN/Qr/LA组。相应的定量分析显示TiO2

UCN/Qr/LA组最大，骨体积（BV）为4.19，骨体积/总体积（BV/TV）为40.58TiO2

UCN/Qr/LA组的表现略好于Ti和Ti组，这可能是由于纳米结构和Qr。此外，通过藏红-O和快速绿色染色分析植入物上的成骨或软骨分化。周围有大量新的致密骨TiO2

UCN/Qr/LA植入物，经HE染色证实，表明TiO2

UCN/Qr/LA植入物促进骨整合。新骨的数量增加了TiO2

UCN/存在生物膜感染时的Qr/LA归因于抗感染和成骨能力。最后，通过HE染色对心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏等主要器官进行组织学分析，以研究药物的生物安全性TiO2

UCN/Qr/LA。未观察到对主要器官的明显毒性或损害，从而证实了生物安全性。

?????图5.抗生物膜和抗炎作用的体内评价

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本文编辑：佚名
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