在植入物上功能化的H2S/NO气体转运蛋白释放纳米纤维，通过协调成骨、血管生成和免疫调节反应来加速骨整合过程

《Chemical Engineering Journal》：H 2S/NO gasotransmitter-releasing nanofibers functionalized on implants accelerate osseointegration by coordinating osteogenic, angiogenic, and immunoregulatory responses

氢硫和一氧化氮共释放电纺纳米纤维涂层改善钛种植体骨整合。体外实验显示促进内皮细胞迁移管形成及成骨细胞碱性磷酸酶活性，体内实验证实增强新血管生成和骨体积沉积。通过聚儿茶素没食子酸酯表面修饰解决纳米纤维附着力问题，实现pH响应性释放。该技术协同调控血管生成与免疫应答，为骨再生提供新策略。

　　

阿卜杜勒拉赫曼·M·阿尔-比沙里|王燕|吴安妮|孙浩波|比拉尔·A·阿尔-沙奥比|阿马尔·M·贾玛|朱克倩|娄晓伟|穆罕默德·S·阿卜杜勒马吉德|艾哈迈德·S·马哈尼|熊立峰|孙宁瑶|于明良|邓振南|卢雷|刘金松|高鹏

温州医科大学口腔医学院，中国浙江省温州市325027

摘要

牙科植入物面临诸如骨整合不良、血管生成延迟和慢性炎症等挑战。内源性气体信号分子硫化氢（H₂S）和一氧化氮（NO）已成为调节血管生成、成骨分化和免疫反应的关键气体传递物质，这使它们成为针对微环境疗法的理想候选者。在这里，我们通过共电纺技术将硫化氢（H₂S）和一氧化氮（NO）供体JK-2及S-亚硝基-N-乙酰-DL-青霉胺（SNAP）结合到明胶/聚己内酯（Gel/PCL）纳米纤维（NFs）中，制备出一种双气体传递物质释放涂层。这些纳米纤维被应用于激光微槽处理的钛（Ti）表面，并进一步用聚表没食子儿茶素没食子酸酯（pEGCG）修饰以确保稳定附着。所得涂层能够持续释放H₂S和NO，这两种物质协同作用增强了细胞反应。在体外实验中，这种双气体传递物质释放涂层促进了内皮细胞迁移、管状结构形成，并上调了血管生成相关标志物（VEGF、TGF-β1、eNOS）。此外，MC3T3前成骨细胞表现出碱性磷酸酶（ALP）活性增强、矿化作用增强以及成骨基因（Runx2、COL1、OPN、OPG）上调。RNA测序显示，相关通路涉及组蛋白甲基化和氧化磷酸化，这些过程对成骨和细胞代谢至关重要。用这种涂层培养的巨噬细胞表现出M1型促炎标志物抑制和M2型极化增强，表明其免疫反应更倾向于再生性。在体内实验中，该涂层显著改善了新血管形成、骨体积、胶原沉积和种植体周围组织厚度。H₂S和NO的协同释放为通过调节血管生成和免疫反应来增强骨整合和骨再生提供了有希望的策略。

引言

牙科植入物已成为修复缺失牙齿的广泛接受的解决方案，兼具功能性和美观性优势[1]。然而，牙科植入物的长期成功和稳定性仍然是一个挑战，尤其是在骨质量较差的患者中。虽然植入物与周围骨组织的整合过程（即骨整合）对植入物的成功至关重要，但炎症、血液供应不足和免疫反应等因素会干扰这一过程，导致骨再生受损和植入物失败风险增加[2]。骨整合的成功不仅取决于机械固定，还取决于生物整合，后者涉及骨细胞的迁移、增殖和分化以及新骨的形成[2]。骨质疏松症和糖尿病等系统性疾病会负面影响骨质量和愈合过程，从而导致骨整合延迟或不足[3]。这些疾病与内源性信号分子（包括硫化氢（H₂S）和一氧化氮（NO）的水平改变有关，这两种物质在骨代谢、血管调节和炎症控制中起着关键作用[4][5][6][7]。 研究表明，H₂S在促进成骨细胞分化、血管生成和组织再生方面起着重要作用，它通过调节支持骨愈合和再生的多种细胞通路发挥作用[8][9]。同样，NO可以增加血流量、刺激成骨并调节成骨细胞活性，是骨形成的关键因素[10][11]。H₂S和NO通过影响成骨细胞和破骨细胞来调节骨稳态，确保骨形成和吸收之间的平衡[10][12][14]。此外，H₂S还能通过促进巨噬细胞向M2型极化来调节免疫反应[15]，这种M2型极化具有抗炎作用并促进组织再生，这对于促进植入部位的高效骨愈合和整合至关重要[16]。在骨质疏松症、糖尿病或衰老等情况下，体内H₂S和NO的缺乏会显著损害愈合过程和牙科植入物的整合，导致失败率增加，尤其是在骨健康状况较差的患者中[17][18][19][20]。 尽管H₂S和NO在骨再生方面具有治疗潜力，但由于其气体性质、半衰期短以及在植入部位实现可控和持续释放的挑战，它们的临床应用受到限制。这些气体传递物质的挥发性和快速降解使得难以长时间维持治疗浓度。为了解决这些问题，我们提出使用电纺纳米纤维作为H₂S和NO供体的递送系统。电纺纳米纤维为这些气体传递物质提供了高效封装和可控释放的平台，确保其在植入界面处的持续和局部释放[12][21]。电纺纳米纤维的优势包括高表面积、可调节的纤维形态以及能够结合生物活性分子，使其成为促进骨-植入界面处H₂S和NO持续释放的理想选择。这种方法有望克服临床应用中气体传递物质使用的挑战，提高牙科植入物的稳定性和长期成功率。 在这项研究中，我们旨在开发一种双气体传递物质释放的电纺纳米纤维，将其功能化应用于钛（Ti）植入物上以增强骨整合（图1）。在Ti植入物上使用电纺纳米纤维的一个关键挑战是确保其附着性。Ti的表面能较低，可能导致纳米纤维附着不良[22][23]。为了解决这个问题，采用了激光蚀刻和生物活性涂层（包括聚表没食子儿茶素没食子酸酯（pEGCG）等表面修饰方法来提高Ti的表面能并增强纳米纤维的附着性。pEGCG中的儿茶酚基团有助于与Ti表面和纳米纤维形成共价键，确保稳定附着并提升支架的功能性[24][25][26][27]。通过同时释放H₂S和NO，这种纳米纤维旨在调节植入部位的局部微环境，促进血管生成、减少炎症并刺激成骨。我们假设这种方法将改善植入体-骨界面处的生物反应，增强骨再生和植入物稳定性，特别是在骨健康状况较差的患者中。这一新策略有望通过利用H₂S和NO的协同效应来提高牙科植入物的临床成功率。

材料

商业纯度的Ti箔（厚度0.5毫米）和棒材（尺寸7毫米×2.1毫米）购自宝鸡福新有色金属制品有限公司（中国西安）。聚己内酯（PCL，分子量80,000，10% w/v）和明胶（A型，300 Bloom，猪源，10% w/v）购自Sigma-Aldrich（美国）。一氧化氮供体S-亚硝基-N-乙酰-DL-青霉胺（SNAP）和硫化氢供体JK-2分别来自Bideyiyao（中国）和Sigma Chemical Co.（美国）。4′,6-二氨基-2-苯基吲哚（DAPI）也用于实验。

电纺纳米纤维涂层的表征

为了实现H₂S和NO从Ti植入物中的稳定释放，我们开发了一种分层表面修饰策略，结合了微槽图案化和生物粘合涂层。初步的微槽制造（Ti/微槽）形成了与光滑的天然Ti表面不同的均匀拓扑结构（图1A）。随后使用pDA或pEGCG进行功能化处理，生成了连续且无缺陷的涂层，提高了界面结合能力。

讨论

牙科植入物的长期稳定性取决于成功的骨整合[28]。本研究探讨了表面修饰和气体疗法对Ti牙科植入物的协同效应，以促进骨再生。传统的Ti表面修饰方法（如酸蚀和喷砂）会影响细胞活性[29]。因此，基于Ti的界面工程策略变得越来越多样化，包括使用LBL多层结构控制的TNT储库[30][31]、复合材料等。

结论

本研究在牙科植入学领域取得了重要进展，展示了表面工程化的Ti植入物与双气体传递物质疗法（H₂S和NO）结合的潜力。我们开发了一种新方法，将pEGCG共价连接到Ti表面的锚定纳米纤维涂层上，实现了pH响应性的H₂S和NO的局部释放。这种策略增强了纤维与植入体的整合，并创建了一个动态调节的生物活性微环境。关键发现表明...

CRediT作者贡献声明

阿卜杜勒拉赫曼·M·阿尔-比沙里：撰写原始草稿、进行研究、进行正式分析、验证方法。 王燕：撰写原始草稿、进行研究、制定方法。 吴安妮：进行研究、数据管理。 孙浩波：进行研究。 比拉尔·A·阿尔-沙奥比：制定方法。 阿马尔·M·贾玛：进行研究。 朱克倩：进行研究。 娄晓伟：进行研究。 穆罕默德·S·阿卜杜勒马吉德：进行研究。 艾哈迈德·S·马哈尼：进行研究。 熊立峰：进行可视化分析。 孙宁瑶：进行研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号82371016、82301156）、浙江省自然科学基金（编号LMS25H140006、LTGY23H140001）以及温州医科大学基本研究基金（编号KYYW202208）的支持。