如今，植入手术已成为常见的标准手术。然而，与受损创伤愈合相关的潜在风险仍然存在。这些并发症可能会给治疗带来挑战，并对患者的整体康复过程产生不利影响。为了解决这个问题，研究人员正在寻找改善种植体整合和降低感染风险的方法。
为了更多地了解该研究领域以及如何应用QSense 耗散型石英晶体微天平分析技术（QCM-D）促进该领域研究的工作，百欧林的Malin Edvardsson博士联系了奥斯陆大学生物材料系副教授Hanna Tiainen。Tiainen教授的研究重点是生物材料涂层及其对活体组织生物反应的影响。在她的团队中，他们特别关注如何利用植物多酚来应对种植体表面的炎症和细菌感染。最近，他们进行了一项研究1，以检测这些涂层如何影响蛋白质吸附并调节种植体表面上的细胞行为。在本文中，我们将分享从采访 Tiainen 教授中学到的内容。
种植体周围的伤口愈合受损可能会给患者带来问题
虽然植入种植体以恢复功能或美观已成为一种常见的外科手术，但是Tiainen教授表示，种植体周围的伤口愈合受损可能会给患者带来很多麻烦，种植体与周围组织的整合不良通常会导致持续感染，而众所周知这种感染是难以治疗的，并且通常将移除受感染的种植体作为唯一有效的治疗选择。
设计不会触发免疫系统的表面的挑战
种植体整合不良通常与身体对其作为异物的反应有关，这种由我们的免疫系统引发的所谓异物反应对于每种材料来说都是独一无二的，它取决于生物分子如何吸附在植入材料的表面上。这个过程与我们的免疫系统用抗原标记细菌和病毒，以便免疫细胞中和并清除它们非常相似。我们面临的挑战在于创造一个不会触发免疫系统对抗，且不会引起炎症和种植体包囊化的表面。
开发降低感染风险的生物材料
Tiainen 教授继续解释说，免疫系统的反应高度依赖于细胞如何“看到”植入材料的表面。这主要是由生物分子的初始吸附来定义的。如果我们了解特定表面上的潜在吸附机制，可以尝试协调吸附过程，以促使特定蛋白质优先吸附，或改变其构象以显示或隐藏影响伤口愈合和体内种植体接受程度的重要受体区域，Tiainen教授说。
“我们的研究重点是了解材料的物理和化学表面特性如何影响与活体组织直接接触的生物材料的生物反应，”Tiainen 教授说。我们目前的许多研究工作都集中在开发多功能生物材料和表面，以改善组织整合并降低感染风险，特别是在植入生物材料周围的自然伤口愈合可能受到潜在慢性炎症疾病或癌症治疗阻碍的情况下。
这项具体研究1是挪威研究委员会资助的一个研究项目的一部分，在该项目中，我们专注于使用植物多酚来解决种植体表面的炎症和细菌感染，植物多酚是在几种植物性食品中发现的一组抗氧化剂和抗菌化合物。 Tiainen 教授表示，我们特别有兴趣了解这些多酚涂层如何改变蛋白质吸附方式并改变种植体表面的细胞行为，因此我们的QSense Analyzer 石英晶体微天平分析仪一直被频繁使用于这个项目。
分析以了解对涂层种植体表面的异物反应
Tiainen 教授说，在我们已发表的研究1中，我们研究了当我们用抗氧化剂多酚分子修饰钛种植体表面时，对钛种植体的异物反应如何改变。免疫系统和软组织相互作用的总体效果可以通过血液和细胞培养物来研究。通过研究与改性植入材料接触过的血液中的凝血和补体激活标记物，我们可以将其与未改性的对照表面的反应进行比较。同样，在体外细胞研究中，我们可以了解到改性是否对参与创伤愈合的细胞产生任何不良影响。然而，这两种方法都无法直接回答细胞为何对材料表面产生如此反应。因此，我们需要另一种方法来更多地了解生物分子如何在表面上吸附，并在周围环境中与细胞进一步相互作用，Tiainen 教授解释道。
了解细胞对材料表面产生特定反应的原因
Tiainen 教授表示， QCM-D 能够使我们探究与钛对照表面相比多酚分子对表面的修饰如何改变其对蛋白质的吸附。我们特别感兴趣的是了解蛋白质与表面的结合牢固程度，以及它们是否可以被具有更高亲和力的其他蛋白质吸附所替代。这种重塑过程在文献中通常被称为 Vroman 效应。我们获得的 QCM-D 结果还使我们能够根据吸附蛋白质的特征、吸附行为和薄膜特性推断吸附蛋白质的构象。
使用QSense QCM-D 分析表征蛋白质与功能性种植体涂层的相互作用
Tiainen 教授表示，QCM-D 技术对于实时检测液体环境中蛋白质与多酚层的相互作用特别有帮助。
简而言之，实验的执行过程如下：
1. 在向QSense Analyzer 仪器通入含有蛋白质的溶液之前，先在钛芯片上沉积几个纳米厚度的多酚薄膜。
2. 在涂层沉积和研究生物分子吸附之间，使用缓冲溶液彻底冲洗芯片，直到获得稳定的基线。
3. 在监测蛋白质吸附后，我们检查了用缓冲溶液冲洗芯片期间有多少吸附的分子被解吸附了。
QCM-D 测量结果显示，与未改性的钛相比，多酚表面改性的蛋白质吸附量更高。特别是QSense DFind分析软件的高级建模功能使我们能够发现蛋白质薄膜粘弹性行为差异，表明在我们改性的钛表面上吸附的蛋白质薄膜结构发生了变化。
QCM-D 分析的一个关键结果是，用多酚分子修饰的种植体表面显示释放了抗氧化剂多酚分子，保护粘附的细胞免受氧化应激的影响，而修饰表面上血浆蛋白质的吸附变化导致血液中的亚群激活略微减少，Tiainen教授说道。
一种抑制植入材料免疫反应并降低伤口愈合受损风险的方法
Tiainen 教授说，表面改性是影响材料与体内活组织接触时发生的复杂生物相互作用的有效工具。在这项研究1中，我们发现多酚涂层改变了吸附的蛋白质层，并减少了对钛的先天免疫反应，钛本身是一种具高度生物相容性的材料，在植入体内时通常会引起较低的异物反应。由于我们可以在几乎任何材料的表面沉积一层薄薄的多酚分子，因此我们可以利用我们的表面改性方法来减弱对那些已知会比钛引起更强烈异物反应的种植体材料的初始免疫反应，Tiainen教授总结道。
参考文献
1. Weber, F., et al., J. Biomed. Mater. Res. A, 2022, 110(7):1341-1355
