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鈦表面不同硅烷偶聯(lián)c(RGDfK)環(huán)肽的表征及生物相容性分析

2022-04-07 08:01周齊悅洪高英吳桐陳晨謝海峰
口腔疾病防治 2022年6期

鈦的骨結(jié)合能力與表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成密切相關(guān),對鈦金屬進行表面處理及負載涂層,可改變鈦表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成,從而提高細胞早期黏附和成骨分化水平

。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arg-Gly-Asp,RGD)多肽是一種有效且常用的刺激細胞黏附的肽序列,被發(fā)現(xiàn)能促進成骨細胞的生長,促使骨組織再生

。以往研究中,學(xué)者以硅烷偶聯(lián)的方式形成了鈦-硅烷-RGD 多肽的三層結(jié)構(gòu),證實可以促進細胞黏附、增殖以及成骨分化

。硅烷種類繁多,尤其是末端基團的不同可能給硅烷提供不同的化學(xué)活性,然而尚未見研究對比鈦表面以不同末端基團的硅烷偶聯(lián)RGD 多肽的效率及所實現(xiàn)的細胞活性。本研究使用氨基、巰基、氯基、烯酰氧基4 種不同末端的硅烷,即3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,APTES)、3-氯丙基三乙氧基硅烷(3-chloropro-pyltriethoxysilane,CPTES)、3-巰基丙基三甲氧基硅烷(3-mercaptopropyltriethoxysilane,MPTS)、3-異丁烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(γ-methacryloxypropyltrimethoxysilane,γ-MPS)作為偶聯(lián)劑將c(RGDfK)環(huán)肽固定于鈦表面,對各組的化學(xué)結(jié)合進行表征分析,并對比其對MC3T3-E1 細胞黏附、增殖及分化的影響。

最近,紹興市經(jīng)濟和信息化委員會公布了2018年紹興市“隱形冠軍”企業(yè)名單,浙江力普粉碎設(shè)備有限公司榜上有名。

1 材料和方法

1.1 主要材料與試劑

小鼠前成骨細胞MC3T3-E1 細胞(中國科學(xué)院細胞庫,中國),鈦片(陜西盛輝鈦業(yè)有限公司,中國),APTES、CPTES、MPTS、γ-MPS(麥克林,中國),c(RGDfK)(合肥國肽生物科技有限公司,中國),磷酸緩沖鹽溶液(phosphate buffered saline,PBS)(白鯊,中國),胎牛血清(Cell Sciences,美國),青霉素/鏈霉素溶液(Gibco,美國),α-MEM(α-minimum essential medium,α-MEM)培養(yǎng)基(Gibco,美國),4',6-二氨基-2-苯基吲哚(4,6-diamino-2-phenyl indole,DAPI)(Apexbio,美國),鬼筆環(huán)肽(Apexbio,美國),CCK-8 試劑盒(Dojindo Molecular Technology,Kumamoto,日本),堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)檢測試劑盒(南京建成,中國),BCA(Bicinchoninic acid,BCA)蛋白質(zhì)濃度測定試劑盒(碧云天,中國),接觸角計(SL250,Kino Industry,Boston,MA,美國),X 射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)(Escalab 250xi,Thermo Fisher Scientific,美國),掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)(MAIA3 TESCAN,捷克),激光共聚焦掃描顯微鏡(confocal laser scanning microscope,CLSM)(LSM 780,CalZeiss AG,德國),酶標儀(PerkinElmer,Waltham,MA,美國)。

1.2 涂層制備方法

加工24 枚直徑30 mm、厚1 mm 的圓形鈦片以及48 枚直徑5 mm、厚1 mm 的圓形鈦片。所有鈦片用400 目、800 目、1 200 目、2 000 目研磨用碳化硅紙依次進行機械拋光。拋光后,用丙酮、乙醇和超純水依次超聲清洗15 min,60 ℃烘干后置于干燥皿中保持干燥。

鈦片分組處理(直徑30 mm 鈦片每組4 個,直徑5 mm 鈦片每組8 個):①NT 組,鈦片表面不做處理,空白對照組;②OH 組,堿熱處理,即10 mL 60 ℃的5 mol/L NaOH 溶液中浸泡24 h,超純水沖洗兩遍,37 ℃干燥

;③OHAP 組,堿熱處理后,在50 mL 5%APTES 的無水乙醇溶液中常溫避光浸泡24 h,隨后取出,無水乙醇中超聲清洗15 min 以去除物理吸附的硅烷顆粒,37 ℃干燥,在110 ℃下固化1 h

;④OHCP 組,堿熱處理,使用CPTES 與OHAP組同法做硅烷化處理;⑤OHMPT 組,堿熱處理,使用MPTS與OHAP組同法做硅烷化處理,硅烷處理后在1%戊二醛溶液中浸泡1 h,超純水沖洗,37 ℃干燥;⑥OHMPS 組,堿熱處理,使用γ-MPS 與OHAP 組同法做硅烷化處理。上述OHAP、OHCP、OHMPT、OHMPS 組鈦片分別處理后,高壓蒸汽滅菌,然后浸入4 ℃的0.1 mg/mL c(RGDfK)肽/PBS 溶液中15 h,取出后PBS 清洗,常溫干燥。細胞培養(yǎng)之前,所有樣本均紫外消毒,并用PBS 沖洗。

1.3 表面處理的表征分析

1.3.1 表面潤濕性能 各組隨機選取直徑30 mm鈦片1 枚,以1 μL 去離子水為檢測液,使用接觸角計測量中心點的接觸角。

1.3.2 X 射線光電子能譜(XPS)分析 隨機選取直徑5 mm 鈦片1 枚,XPS 評估表面硅烷化及c(RGDfK)連接情況。在225 W 下用單色AlKa 輻照(1 486.7 eV)進行測量,入射角為90°。使用XPSPEAK41 軟件進行光譜分析,評估Si2p、Cl2p、C1s、N1s、titanium2p、O1s 的強度。

激光共聚焦掃描顯微鏡觀察6 組鈦試件與MC3T3-E1 細胞共培養(yǎng)6 h 后的細胞黏附情況(圖4),可見NT 組細胞鋪展不佳,呈長梭形,未觀察到明顯的細胞偽足。OH 組、OHAP 組、OHCP 組、OHMPT 組、OHMPS 組細胞鋪展呈圓形,見較多細胞微絲;其中,OHAP 組的鈦片細胞鋪展最好,偽足伸展最為充分。

1.4 細胞行為

根據(jù)酰胺-N/Ti 元素比,OHMPS 組負載c(RGD)fK 環(huán)肽稍高于OHCP 組及OHMPT 組,但遠未達到該組硅烷負載率的優(yōu)勢,OHAP 組結(jié)合的c(RGD)fK 含量最少。

1.4.2 細胞黏附試驗 將直徑為5 mm 的鈦片樣品置于96 孔板中,每組1 個,以3 000 個/孔的密度接種細胞。培養(yǎng)6 h 后,將黏附在鈦片表面的細胞用4%多聚甲醛固定20 min,然后在室溫下用0.5%Triton X-100 在PBS 中通透15 min,用DAPI 對細胞核進行染色,用鬼筆環(huán)肽對細胞骨架進行染色。使用CLSM 觀察細胞形態(tài)。

1.4.3 細胞增殖試驗 將直徑為5 mm 的鈦片樣品置于96 孔板中,每組5 個,以3 000 個/孔的密度接種細胞。培養(yǎng)7 d 后使用CCK-8 試劑盒檢測細胞增殖率。使用酶標儀測量450 nm 處的吸光度值。以含有CCK-8溶液但沒有接種細胞的孔為空白對照。

2016年底,云南建設(shè)完成1個統(tǒng)籌全省服務(wù)資源的樞紐服務(wù)平臺、16個州市綜合服務(wù)窗口平臺和13個重點產(chǎn)業(yè)集群(行業(yè))專業(yè)窗口服務(wù)平臺的網(wǎng)絡(luò)體系。兩年來平臺累計帶動1398家服務(wù)機構(gòu),其中有近330家服務(wù)機構(gòu)在平臺網(wǎng)絡(luò)在線系統(tǒng)通過發(fā)布服務(wù)信息、開展線上服務(wù)等方式,為全省中小微企業(yè)不同發(fā)展階段提供全方位服務(wù)支撐。每年依托各州市中小企業(yè)“窗口”服務(wù)平臺,重點圍繞政策解讀、信息發(fā)布、創(chuàng)業(yè)輔導(dǎo)、技術(shù)支撐、互動對接、展覽展示、創(chuàng)新論壇等內(nèi)容,采取形式多樣、種類豐富的方式集中開展了“雙創(chuàng)”活動。

增殖率(%)=(各實驗組吸光度平均值-空白孔吸光度平均值)/(無材料只有細胞組吸光度平均值-空白孔吸光度平均值)× 100%

使用SPSS 22,對上述接觸角測量、細胞增殖、ALP 活性檢測實驗數(shù)據(jù)進行分析,在方差齊性條件下采用單因素方差分析和LSD-

檢驗來評估組間差異,以

<0.05 為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

1.4.4 ALP 活性檢測 將直徑為30 mm 的鈦片樣品置于6 孔板中,每組3 個,以8 × 10

個/孔的密度接種細胞,7 d 后,使用ALP 檢測試劑盒檢測ALP 活性,并使用BCA 蛋白質(zhì)濃度測定試劑盒檢測的蛋白總量作為標準。

OHAP、OHCP、OHMPS 組N 元素峰呈現(xiàn)出兩種組分,為399.8~400.2 eV 及401~402 eV,分別對應(yīng)蛋白質(zhì)中酰胺鍵和伯胺

,各組中酰胺鍵的含量為83%~88%,而OHMPT 組N 元素中均為酰胺鍵成分(圖3)。

2 結(jié) 果

2.1 處理表面的表征分析

SEM 觀察顯示,拋光的鈦片呈光滑表面,堿熱處理在鈦片表面形成了海綿狀三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),孔徑大小約為100~200 nm,接枝各種硅烷及c(RGDfK)環(huán)肽使部分孔隙被填滿(圖1)。

XPS 結(jié)果顯示,堿熱處理后鈦表面O 元素增加,證明活化后大量羥基成功負載于鈦表面,負載硅烷及c(RGDfK)環(huán)肽后Si、N 元素含量增加,提示硅烷及多肽的有效連接(表1)。Si/Ti 值結(jié)果提示OHMPS 組硅烷的負載量相對于其他三種硅烷高數(shù)倍,提示γ-MPS 與活化后鈦表面的結(jié)合能力最強。

1) 當r=2時,由定理5知,Pn滿足二階常系數(shù)齊次線性差分方程相應(yīng)的特征方程為特征根為由引理2得差分方程的通解為

接觸角測量結(jié)果顯示,拋光的鈦片接觸角超過90°,提示并非親水性表面;堿熱處理后的多孔結(jié)構(gòu)使接觸角急劇降低,呈現(xiàn)極親水的狀態(tài);而進一步接枝硅烷及多肽后,各組水接觸角則均有不同程度的回升,其中OHMPS 組的接觸角回升最多(

=0.142;OHAP 組:

<0.05;OHCP 組:

<0.05;OHMPT 組:

<0.05;OHMPS 組:

<0.05)(圖2)。

深圳港在2014年率先出臺“綠色航運”補貼政策,對于使用低硫油的船舶每年補貼2億元人民幣。其中,船舶使用硫含量0.1%~0.5%m/m燃油,政府補貼低硫油和重油差價的75%;船舶使用硫含量≤0.1%m/m燃油,政府補貼低硫油和重油差價的100%。政策出臺以來,深圳“綠色港口”建設(shè)成效顯著。截至2017年6月底,深圳港已有7643艘次遠洋船舶靠泊期間使用低硫燃油,減排硫氧化物約2873.9噸,減排氮氧化物約230.3噸,減排PM2.5污染物約273.7噸。

1.4.1 細胞培養(yǎng) 將小鼠前成骨細胞MC3T3-E1 細胞在添加10%胎牛血清和1%青霉素/鏈霉素溶液的α-MEM 培養(yǎng)基中,置于37 ℃含5% CO

的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。檢測ALP 活性時,細胞在添加50 μg/mL抗壞血酸、10 Mm β-甘油磷酸鹽和10nM 地塞米松的上述培養(yǎng)基中孵育以誘導(dǎo)成骨分化。

2.2 細胞黏附性比較

1.3.3 表面形貌 每組挑選1 枚直徑5 mm 鈦片噴金,SEM 在二次電子模式下觀察,工作電壓20 kV,工作距離(5.425 ± 0.5)mm。

2.3 細胞增殖情況比較

MC3T3-E1 細胞與鈦試件共培養(yǎng)7 d 后,OHAP、OHMPT、OHMPS 組均顯示出良好的增殖潛力,與NT 組相比有顯著差異(

=0.089;OHAP 組:

=0.013;OHMPT 組:

=0.002;OHMPS 組:

=0.025)(圖5)。OHMPT 組增殖活性最好。OH 組和OHCP 組與NT 組相比,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(OH 組:

=0.934;OHCP 組:

=0.139)。

2.4 細胞成骨活性比較

各組鈦片表面接種MC3T3-E1 細胞并進行成骨誘導(dǎo)7 d 的ALP 活性如圖6 所示,可以發(fā)現(xiàn)各種硅烷-c(RGDfK)環(huán)肽處理組均促進了細胞ALP 的表達,其中,OHAP、OHMPT、OHMPS 組的相對表達量較高,與NT 組相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(

=0.051,OHAP 組:

=0.002;OHMPT 組:

=0.007;OHMPS 組:

=0.001),而OH 組、OHCP 組較NT 組差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義(OH 組:

=0.173,OHCP 組:

=0.167)。

3 討 論

RGD 多肽是生物材料領(lǐng)域中研究最為廣泛的功能性多肽之一,其在纖維粘連蛋白、層粘連蛋白等多種細胞外基質(zhì)蛋白中檢測出,且證實其能與細胞膜上多種整合素特異性識別,是人體內(nèi)廣泛存在并使用的肽序列

。在許多實驗中,RGD 多肽在促進多種細胞類型與不同材料的結(jié)合方面有效,目前RGD 多肽在研究中的應(yīng)用主要在于和多種活性物質(zhì)共同作用、改善材料表面生物性能,也有研究將其用于靶向藥物載體的制備。人工合成的環(huán)肽較線肽有更好的抗酶解能力和熱穩(wěn)定性,應(yīng)用前景更廣

。

對材料進行表面活化,運用偶聯(lián)劑改性,進而負載多肽涂層是將多肽結(jié)合于鈦表面的常用方法

。本研究中,首先按照文獻[7]中的方法,對鈦表面進行堿熱處理,強堿對鈦的腐蝕作用使得鈦表面形成亞微米級三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔洞,可以提高金屬表面潤濕性。DAPI 及鬼筆環(huán)肽染色后激光共聚焦顯微鏡下觀察證實堿熱處理也可以一定程度改善材料表面的細胞黏附。堿熱處理還使鈦表面負載了大量羥基,為利用硅烷偶聯(lián)劑進一步進行表面改性提供了化學(xué)基礎(chǔ)

。硅烷中的甲氧基或乙氧基水解后,可與堿熱活化表面上的羥基發(fā)生縮聚反應(yīng),形成Ti-O-Si 鍵,彼此之間在加熱后也可形成Si-O-Si 鍵,進一步穩(wěn)定連接

。本實驗中,可能由于堿熱處理后部分孔隙較大,負載硅烷后呈現(xiàn)出部分孔隙被填滿、部分孔隙未能填滿的不完整的膜結(jié)構(gòu),這可能對硅烷涂層的強度有所影響,但堿熱處理后的亞微米結(jié)構(gòu)得以保留??紤]到c(RGDfK)僅是由五個氨基酸組成的環(huán)肽,分子量較小,其與硅烷結(jié)合后難以通過掃描電鏡觀察到其結(jié)構(gòu),填滿孔隙的結(jié)構(gòu)主要是聚合后的硅烷。其中,各組之間的孔隙填滿的形態(tài)略有不同,這可能和不同末端基團的硅烷在鈦表面的聚合方式差異有關(guān)。

硅烷的另一端為活性基團,可與c(RGDfK)反應(yīng)。OHAP 組中,主要依靠氨基與c(RGDfK)中羧基的靜電相互作用以及堿熱處理后的表面多孔形貌將其固定;MPTS 組中,巰基與戊二醛的一側(cè)醛基反應(yīng)生成C-S 鍵,另一側(cè)醛基與c(RGDfK)的氨基反應(yīng)生成席夫堿

;CPTES 組中,來自CPTES 有機官能團的氯原子是反應(yīng)的親電中心,c(RGDfK)中非結(jié)合部位的游離胺基是親核基團,氯原子可以直接和氨基發(fā)生親核取代反應(yīng)

;而γ-MPS 中的烯酰氧基可以和氨基發(fā)生氮雜Michael 加成反應(yīng),乙烯基的雙鍵打開,通過C-N 鍵相連。

XPS 結(jié)果證明c(RGDfK)結(jié)合于材料表面。本研究發(fā)現(xiàn),MPTS、γ-MPS、CPTES 均結(jié)合了較多的c(RGDfK),其生物學(xué)性能較處理前有所改善,OHMPS 組負載c(RGDfK)環(huán)肽稍高于OHCP 組及OHMPT 組,但遠未達到該組硅烷負載率的優(yōu)勢,可能是由于在溫和環(huán)境下γ-MPS 與c(RGDfK)反應(yīng)不活潑。而APTES 修飾后的鈦表面雖然固定的c(RGDfK)不多,但對細胞黏附性能的改善較γ-MPS 組反而更好。此前有學(xué)者認為,人工合成RGD 多肽的促黏附效果與天然的有大量結(jié)合域蛋白相比較弱,在暴露于血清等有大量天然蛋白的溶液時,由于天然蛋白引發(fā)的信號傳導(dǎo),表面修飾的RGD 多肽對細胞黏附的影響并不明顯

。

當孩子就診用藥物后,需要耐心等待藥物發(fā)揮作用,因為藥物在血液中達到一定濃度的時候才能發(fā)揮作用。不建議家長反復(fù)去醫(yī)院就診,重復(fù)用藥,疊加用藥,致使藥物在孩子體內(nèi)蓄積,引發(fā)不良反應(yīng);或者不等藥物發(fā)揮作用就停藥而換另一種藥物。頻繁換藥反而容易造成疾病遷延不愈,尤其是一些細菌感染的疾病,使細菌產(chǎn)生耐藥性。

本研究中,除OHCP 組外,硅烷偶聯(lián)c(RGDfK)處理后,細胞增殖和成骨分化活性均增強,OHMPT組、OHMPS 組、OHAP 組間沒有顯著差別。OHAP組雖然結(jié)合的c(RGDfK)較少,但其表面未反應(yīng)的硅烷末端在溶液中可水解為帶正電荷的NH

,這有利于蛋白質(zhì)的吸附,從而促進細胞黏附、增殖和成骨分化

。而OHCP 組表面殘留的硅烷末端水解后為帶負電的Cl

,這可以部分解釋該組生物學(xué)性能不佳的問題。

(3)回熱系統(tǒng)優(yōu)化成果顯示,隨著機組負荷率的下降,汽輪機熱耗和供電煤耗下降值隨之擴大,說明基于0號高壓加熱器的回熱系統(tǒng)適合大容量高參數(shù)機組的調(diào)峰需求。

基于以上分析,可以得出以下結(jié)論:MPTS、CPTES、γ-MPS 三種硅烷能夠作為偶聯(lián)劑將c(RGDfK)環(huán)肽結(jié)合于鈦表面,提供促進成骨細胞黏附、增殖和分化的作用,其中γ-MPS 偶聯(lián)c(RGDfK)環(huán)肽的效果最好,而MPTS、CPTES、γ-MPS 連接c(RGDfK)環(huán)肽后具有相似的生物學(xué)性能。

賽十娘說著就哽咽起來,眼淚直往下掉。緩了一會兒,又接著說:“飛機走遠了,我翻過身,見我媽身上都是血,后背掀掉了一大塊。我媽當時還冇斷氣,她拉著我的手,流著淚說,娘再也護不了你了……你已經(jīng)十六了,娘是真想看著你成家啊……”

另外,“吃禁果”是男女之情的隱喻,摩西說得過于委婉,可人們還是猜得出來,繁衍后代就等于生生不息,永遠不死了。

【Author contributions】 Zhou QY designed the study,analyzed the data,wrote the article. Hong GY,Wu T assisted the performing of the experiments. Chen C,Xie HF designed the study and revised the article. All authors read and approved the final manuscript as submitted.

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