氧化铁纳米粒子表面处理如何更适应骨缺损的修复

doi:10.12307/2022.259

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (16): 2570-2575.doi: 10.12307/2022.259

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氧化铁纳米粒子表面处理如何更适应骨缺损的修复

马子雨1，张云涛2，马向瑞2，乔鲁卉1，郭浩宇1，侯玉东3

1滨州医学院，山东省滨州市 256600；2滨州医学院附属医院，山东省滨州市 256600；3滨州医学院口腔医学院，山东省烟台市 264010

收稿日期:2020-12-09 修回日期:2020-12-23 接受日期:2021-01-29 出版日期:2022-06-08 发布日期:2021-12-23
通讯作者: 侯玉东，硕士，教授，滨州医学院口腔医学院，山东省烟台市 264010
作者简介:马子雨，女，1996年生，汉族，河南省漯河市人，滨州医学院在读硕士，主要从事口腔修复学研究。
基金资助:
山东省自然科学基金博士基金(ZR2018BH026)，项目负责人：马向瑞；山东省医药卫生科技发展计划面上项目(2017WS231)，项目负责人：马向瑞；滨州医学院科研计划与科研启动基金(BY2015KYQD24)，项目负责人：马向瑞

Surface treatment of iron oxide nanoparticles in bone defect repair

Ma Ziyu1, Zhang Yuntao2, Ma Xiangrui2, Qiao Luhui1, Guo Haoyu1, Hou Yudong3

1Binzhou Medical University, Binzhou 256600, Shandong Province, China; 2Binzhou Medical University Hospital, Binzhou 256600, Shandong Province, China; 3School of Stomatology, Binzhou Medical University, Yantai 264010, Shandong Province, China

Received:2020-12-09 Revised:2020-12-23 Accepted:2021-01-29 Online:2022-06-08 Published:2021-12-23
Contact: Hou Yudong, Master, Professor, School of Stomatology, Binzhou Medical University, Yantai 264010, Shandong Province, China
About author:Ma Ziyu, Master candidate, Binzhou Medical University, Binzhou 256600, Shandong Province, China
Supported by:
Natural Science Foundation of Shandong Province, China, No. ZR2018BH026 (to MXR); Projects of Medical and Health Technology Development Program in Shandong Province, China, No. 2017WS231 (to MXR); Scientific Initiation Funding of Binzhou Medical University, China, No. BY2015KYQD24 (to MXR)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
氧化铁纳米粒子：是一种新型的纳米材料，其合成材料在自然界较为常见，由于合成成本低且具备良好的生物相容性和稳定性，已成为多个领域的研究对象。
表面处理：为了满足不同研究的需求，比如削弱氧化铁纳米粒子的细胞毒性、提高其分散性与载药量等，必须对纳米粒子表面进行不同的修饰，从而达到研究目的。

背景：随着纳米技术的进步和发展，纳米颗粒因其纳米材料特性引起了人们的广泛关注，其中氧化铁纳米粒子可应用于电子学、化学、生物医学等领域。
目的：探讨在骨缺损修复方面氧化铁纳米粒子表面处理的研究进展。
方法：检索PubMed、万方、中国知网、维普数据库中发表的相关文献，中文检索词为“磁性纳米粒子、氧化铁纳米粒子、表面修饰、表面处理、表面改性、骨缺损、骨修复、骨再生”，英文检索词为“IONPS、iron oxide nanoparticles、Surface treatment、surface modification、bone repair、bone regeneration、osteogenesis”，查阅2005-2020年收录的相关文章。
结果与结论：近年来氧化铁纳米粒子在医学领域的研究越来越广泛，从最初的磁共振成像到后来的药物输送、干细胞治疗、组织修复和热疗等，针对不同的研究目的，对氧化铁纳米粒子的要求侧重点也稍有不同，这就需要对纳米颗粒表面进行不同的处理。针对骨缺损修复，对氧化铁纳米颗粒进行表面处理的物质主要包括有机材料和无机材料，尽管已经取得了一定的突破，但如何控制纳米粒子的尺寸、增加其稳定性及在外加磁场的环境下纳米粒子与细胞间的生物学机制仍需进一步探索。

https://orcid.org/0000-0002-3827-5873 (马子雨)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 氧化铁纳米粒子, 磁性纳米粒子, SPIO, 表面改性, 表面修饰, 骨缺损修复, 骨再生, 成骨

Abstract: BACKGROUND: With the progress and development of nanotechnology, nano-particles have attracted extensive attention due to their nanomaterial properties, among which ferric oxide nanoparticles can be used in electronics, chemistry, biomedicine and other fields.
OBJECTIVE: To discuss the progress of surface treatment of iron oxide nanoparticles in bone defect repair.
METHODS: A computer-based search of PubMed, Wanfang, CNKI, and VIP database was performed for retrieving articles published from 2005 to 2020, and the Chinese search terms were “magnetic nanoparticles, iron oxide nanoparticles, surface modification, surface treatment, surface modification, bone defect, bone repair, bone regeneration”. The English search terms were “IONPS, iron oxide nanoparticles, surface treatment, surface modification, bone repair, bone regeneration, osteogenesis”.
RESULTS AND CONCLUSION: In recent years, iron oxide nanoparticles have been increasingly studied in the medical field, from the initial magnetic resonance imaging, to later drug delivery, stem cell therapy, tissue repair and hyperthermia. For different research purposes, the emphasis of iron oxide nanoparticles is also slightly different, which requires different surface treatments of nanoparticles. For bone defect repair, materials for surface treatment of iron oxide nanoparticles mainly include organic and inorganic materials. Some breakthroughs have been made, but how to control the size of the nanoparticles, increase its stability, and under the additional magnetic field environment, biology mechanism between nanoparticles and cells still need further exploration.

Key words: iron oxide nanoparticles, magnetic nanoparticle, SPIO, surface modification, bone repair, bone regeneration, osteogenesis

中图分类号:

马子雨, 张云涛, 马向瑞, 乔鲁卉, 郭浩宇, 侯玉东. 氧化铁纳米粒子表面处理如何更适应骨缺损的修复[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(16): 2570-2575.

Ma Ziyu, Zhang Yuntao, Ma Xiangrui, Qiao Luhui, Guo Haoyu, Hou Yudong. Surface treatment of iron oxide nanoparticles in bone defect repair[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(16): 2570-2575.

图/表（结果） 1

2.1 有机材料
2.1.1 聚合物近年来，聚合物涂层应用于纳米颗粒在多个领域得到愈来愈广泛地关注。聚合物包括天然生物大分子和合成大分子，生物大分子来源广泛，将其应用于纳米颗粒可以获得良好的生物活性；合成大分子可根据不同的需求选择一种或多种小分子聚合物合成，从而结合了不同聚合物的优势。
合成大分子：聚葡萄糖为合成大分子，已被广泛应用于食品加工和临床，它由右旋糖酐聚合后形成，且右旋糖酐末端可以还原为山梨糖醇或被羧甲基化，在此基础上可制备出葡萄糖-山梨醇-羧甲基醚。YU等[5]通过水冷和磁内加热共沉淀法制备出以氧化铁为核心、葡萄糖-山梨醇-羧甲基醚为外壳的Fe2O3@葡萄糖-山梨醇-羧甲基醚纳米粒子，该核-壳结构的纳米颗粒分散均匀，平均粒径约为7.3 nm，可清除过量的活性氧，利于骨代谢平衡，从而有助于治疗铁蓄积性骨质疏松症。
聚多巴胺是由贻贝黏附蛋白启发制备的仿生高分子材料，它是由多巴胺在弱碱性环境下自聚合成。聚多巴胺最重要的特征之一就是它对几乎所有类型的表面都具有超强的黏附力，儿茶酚基团似乎起着核心作用；聚多巴胺还具有较强的化学反应性，其官能团能够与多种分子发生反应，且它还表现出良好的生物相容性[6]，因此聚多巴胺已成为生物医学、食品、化工等领域的热门材料。HUANG等[7]制备出一种新型磁性Fe3O4/聚多巴胺涂层，共沉积于3D打印多孔钛铝钒支架表面，该涂层在体外能促进人骨髓来源干细胞的附着、增殖和成骨分化，且能提高细胞的存活率，结合静态磁场后可进一步增强磁性纳米粒子的成骨能力。DUAN等[8]制备了包覆多巴胺的超顺磁性氧化铁纳米颗粒(Spion@PDA)，将Spion@PDA加入至人脐带间充质干细胞中并注射至大鼠体内，结果显示，在磁场和干细胞归巢的作用下成骨细胞出现增殖，促进了局部骨组织的修复。
聚乙烯醇是经聚醋酸乙烯部分或全部水解而成，是一种人工合成的生物相容性聚合物，具有高亲水性，在水中具有良好的溶解性[9-10]。将纳米颗粒应用于人体，必须保证这些纳米材料与细胞膜接触而不会损害重要组织，将细胞毒性降至最低。LAZARATOS等[11]构建出细胞膜模型来研究纳米颗粒与细胞膜之间的相互作用，实验结果表明，涂有聚乙烯醇和聚阿拉伯酸的磁铁矿纳米颗粒不会破坏细胞膜模型的稳定性。SCHULZE等[12]制备了氨基-聚乙烯醇包裹的超顺磁性氧化铁纳米颗粒，发现该纳米颗粒能够提高骨髓间充质干细胞的代谢活性和迁移率。
聚乙二醇是由多个乙二醇单元组成的聚合物，它作为纳米颗粒表面的一种修饰物已被证明可以减少纳米颗粒在肝脏中的摄取，能够克服单核巨噬细胞系统的细胞识别和清除，从而并延长循环寿命[13]。骨是一种高度血管化的组织，其发育和再生受到血管结构的严格调控，目前大范围骨缺损修复失败的主要原因包括血管化的不足。有学者通过使用聚乙二醇作为基质成功建立了一个人工血管化的骨组织样环境，从而诱导细胞向成骨向分化[14]。FILIPPI等[15]将磁性纳米颗粒、聚乙二醇水凝胶和人类脂肪组织间质血管部分的细胞共组装制备了磁化水凝胶，在外加磁场的情况下，磁性基质能够诱导人类脂肪组织间质血管部分细胞的成骨作用；大鼠体内实验显示，8周后在整个凝胶上可见带有红细胞的血管，显示出高度血管化的组织，并且能够观察到致密矿化组织的形成。但是最近也有报道表明，聚乙二醇在哺乳动物身上使用会引发免疫原性反应，但这种反应的程度需要进一步研究[13]。
聚甲基丙烯酸甲酯是一种高分子聚合物，为FDA批准的生物材料，它机械强度较高、质轻、廉价，这些优点使得其应用于不同的领域，尤其是口腔科和骨科。聚甲基丙烯酸甲酯最早作为骨水泥应用于临床，后来逐渐应用于关节置换手术中，此外还可用于可摘局部义齿、临时冠桥的制作，以及下颌骨折的外固定与颌面部修复等[16]。磁性纳米颗粒位于交变磁场环境中时会产生热效应，基于这一行为，有人提出含有磁性纳米颗粒的骨水泥可用于骨肿瘤的热疗；磁性纳米颗粒的感热机制取决于颗粒的尺寸，骨水泥的加热能力取决于颗粒的数量和尺寸。LI等[17]将不同粒径的Fe3O4加入到聚甲基丙烯酸甲酯的聚合反应中制备了含有不同粒径Fe3O4纳米粒子的聚甲基丙烯酸甲酯基水泥，并对其在不同交变磁场下的体外热性能进行了研究，通过细胞增殖来判断该生物材料的生物相容性，实验结果显示，聚甲基丙烯酸甲酯/Fe3O4骨水泥具有较高的热效率，能够用于骨肿瘤的治疗。同样的，YU等[18]制备出聚甲基丙烯酸甲酯-Fe3O4具有机械支撑和热消融的双功能可注射生物材料，在CT的引导下将聚甲基丙烯酸甲酯-Fe3O4注射至骨肿瘤区域，待材料固化后外加磁场，使其杀灭肿瘤细胞产生热消融的作用，同时为局部愈合提供了机械支撑；体内实验结果显示，聚甲基丙烯酸甲酯-6%Fe3O4在发挥其双重作用的同时，还降低邻近骨骼骨折的概率，CT图像可看到有新骨的形成，显示出良好的生物安全性和生物相容性。
该方法可提高骨肿瘤的治疗效率，实现微创疗法。但是，聚甲基丙烯酸甲酯也有其缺点，在其聚合过程中会释放大量的热，从而对周围组织造成损伤；在组织学层面，聚甲基丙烯酸甲酯只会与松质骨形成机械结合；且其单体成分具有毒性作用[16]。
聚乙烯吡咯烷酮是以N-乙烯基吡咯烷酮为单体合成的水溶性聚合物，它具有良好的生物安全性。REDDY等[19]将聚乙烯吡咯烷酮包覆在超顺磁性氧化铁外，对间充质干细胞进行标记，所制备的聚乙烯吡咯烷酮-超顺磁性氧化铁稳定性良好，普鲁士蓝染色和电子显微镜显示几乎所有的细胞都被聚乙烯吡咯烷酮-超顺磁性氧化铁纳米颗粒有效地标记，没有细胞毒性迹象，不影响细胞的增殖、分化及骨的修复。这些结果说明，聚乙烯吡咯烷酮-超顺磁性氧化铁纳米粒子能作为一种安全有效的磁共振对比剂，可以实现干细胞的非侵入性活体追踪，有助于进一步研究阐明推动干细胞向缺损修复区域迁移的机制。
甘蔗作为全球年产量最高的农作物，其经过榨糖之后剩下的甘蔗渣产量较高、成本低，可以进行“废物利用”，主要应用于造纸等领域，能够解决白色污染等环境问题，成为一种绿色环保资源。甘蔗渣含有大量的纤维素，先前的研究表明，纤维素具有良好的生物降解性和较低的毒性，可作为组织工程中一种有前途的支架材料[20]，但其作为支架在组织工程中的应用还很匮乏。KIM等[21]采用水热碳化法将甘蔗渣转化为加氢半焦，首次通过还原-沉淀法用加氢半焦对Fe3O4纳米粒子进行改性，结果显示加氢半焦@Fe3O4表现出的骨传导增强作用是对照组的3倍，并且可以锚定在人脂肪组织间充质干细胞的受体上促进成骨。
天然生物大分子：壳聚糖是一种天然聚合物，是由甲壳动物贝壳中的甲壳素脱乙酰基后的产物，普遍存在于自然界中[22]。
研究结果表明，壳聚糖有利于成骨细胞的生长及具有抗菌性。SHI等[23]将壳聚糖包裹于氧化铁纳米颗粒上，平均粒径约35 nm，能够促进人类成骨细胞增殖与分化。壳聚糖包被的纳米颗粒具有大的比表面积，有利于成骨细胞的黏附；加入外部磁场后，可以将磁性纳米颗粒被引导到期望的骨形成部位。NEHRA等[24]观察了壳聚糖包被的纳米颗粒对5种微生物的抗菌和抗真菌活性的影响，采用抑菌环直径来判断抗菌的能力，结果显示与单纯的Fe3O4纳米颗粒相比，壳聚糖包被Fe3O4 纳米颗粒的抗菌活性较强。RABEL等[25]通过绿色原位法制备了壳聚糖-氧化铁纳米复合材料，结果显示该复合材料能有效抑制实验菌株的生长。同样，BHARATHI等[26]构建的壳聚糖-氧化铁纳米复合材料，相比于FeO纳米颗粒对革兰阳性和阴性细菌均显示出更高的抗菌活性。壳聚糖表面具备特殊的理化特性，有助于药物的渗入，因此壳聚糖也是一种理想的载药工具。综上，壳聚糖良好的水溶性和生物相容性、无毒性、抗菌及载药等性能，能够与磁性纳米颗粒结合，通过外加磁场将载有药物的纳米颗粒吸引到骨缺损部位，可表现出持续的抗菌及成骨作用。但壳聚糖原料有限、生产成本高、成产质量不一等问题也是不容忽视的。
葡聚糖具有良好的水溶性和生物相容性。杨滨羽等[27]将葡聚糖包裹于超顺磁性氧化铁纳米颗粒外制成葡聚糖超顺磁性氧化铁纳米颗粒，该纳米颗粒平均粒径为(18.0±8)nm，且分散均匀；将葡聚糖超顺磁性氧化铁纳米颗粒直接注射到兔膝关节腔内可进行关节软骨磁共振增强成像，有助于骨关节炎软骨病变的诊断与治疗。
2.1.2 小分子(偶联剂、表面活性剂) 小分子修饰纳米粒子包括偶联剂和表面活性剂，其中主要包括硅烷偶联剂、氨基酸、二巯基丁二酸等[28]。HAO等[29]采用油酸对氧化铁纳米粒子进行了表面修饰，以聚乳酸-羟基乙酸共聚物为基质，组成纳米复合材料并在外加磁场干预下对其生物学性能进行检测，结果发现油酸修饰过的氧化铁纳米颗粒形状不规则，平均直径为(9.1±2.8) nm，透射电镜显示聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的油酸纳米颗粒表现出良好的分散性和稳定性；在外加静磁场的情况下该复合材料可显著改善细胞附着和成骨分化，展现出良好的生物相容性。
赖氨酸是组成蛋白质的成分之一，是人体的必需氨基酸，但机体不能合成，只能从食物中获取，其中只有L-型赖氨酸才能被人体吸收。由于L-赖氨酸的稳定性能够避免巨噬细胞的吞噬，从而降低信号的损失，可实现长期显像，因此，SHELAT等[30]利用L-赖氨酸功能化磁性氧化铁纳米颗粒作为细胞标记和显像剂，研究对骨髓间充质干细胞的作用，结果显示，L-赖氨酸功能化磁性氧化铁纳米颗粒组中无炎症迹象且观察到大鼠骨和软骨早期愈合；体外细胞毒性检验显示，80 mg/L的L-赖氨酸功能化磁性氧化铁纳米颗粒对细胞的损伤最小，表明L-赖氨酸具备良好的生物相容性及抗炎干预作用，可以促进软骨再生。
二巯基丁二酸为双极性表面活性剂，通过包覆二巯基丁二酸能将氧化铁纳米粒子表面由有机相转变成水相，提高其亲水性[31]。SILVA等[32]制备了包覆二巯基丁二酸的氧化铁纳米粒子，透射电镜下观察γ-Fe2O3-二巯基丁二酸成不规则的方形或球形，直径在5-18 nm之间；γ-Fe2O3-二巯基丁二酸对骨髓间充质干细胞无明显细胞毒性，能促进骨髓间充质干细胞的成骨向分化；体外和体内实验证明了γ-Fe2O3-二巯基丁二酸具有磁靶向骨髓间充质干细胞的潜力。所以，γ-Fe2O3-二巯基丁二酸可以作为磁靶向制剂将药物或生长因子定向的浓集至骨髓间充质干细胞，进而促进骨缺损区域的修复。
2.2 无机材料
2.2.1 二氧化硅氧化铁纳米粒子表面修饰常选用的无机材料主要是二氧化硅，这是因为二氧化硅具有以下几个优点：①二氧化硅存在于自然界中，来源广泛，在日常生活、科研等方面有着重要的用途；其化学性质稳定，能降低磁铁矿纳米颗粒的细胞毒性，具有良好的生物相容性及亲水性；②可削弱磁性纳米粒子之间的偶极相互作用，改善粒子的分散性，防止发生团聚现象；③经处理过的二氧化硅具有较大的比表面积，吸附作用较好，作为载体可提高载药量；④制备复合纳米颗粒的技术已成熟，为应用于骨缺损修复提供了技术支持。
有人认为硅离子的释放能够刺激骨髓间充质干细胞的成骨分化[33]。JIA等[34]合成了介孔二氧化硅包裹磁性Fe3O4纳米颗粒，二氧化硅外壳防止磁性颗粒聚集和快速降解，在大鼠牵张成骨过程中效果显著。干细胞疗法是将具有多向分化功能的干细胞移植到患者体内，来修复或替换受损的组织或细胞，从而达到治疗的目的。在外部磁场的作用下，加入磁性纳米颗粒的干细胞能够定位到体内所需要的位置。LEE等[35]将二氧化硅包裹的磁性纳米颗粒与聚乙二醇涂层的磁性纳米颗粒进行了对比，发现硅化后的磁性纳米颗粒在骨髓间充质干细胞中显示出更高的细胞摄取效率，认为表面涂层材料可能对细胞摄取的速度和程度都有重要影响。
有研究表明，纳米颗粒的不规则形状可能有利于细胞内化，减少它们在肝脏或脾脏中的清除率，从而延长它们在体内的半衰期[36]。WANG等[37]采用共沉淀法制备出多面体结晶超顺磁性氧化铁纳米颗粒，并在纳米颗粒表面上涂覆一层薄薄的二氧化硅，然后在二氧化硅表面官能化，通过胺进行改性得到超顺磁性氧化铁纳米颗粒@SiO2-NH2，透射电镜显示纳米颗粒在骨髓间充质干细胞中保持接近单分散状态，表面胺修饰使超顺磁性氧化铁纳米颗粒@SiO2-NH2对骨髓间充质干细胞标记效果比超顺磁性氧化铁纳米颗粒@SiO2提高了3.9倍，且无细胞毒性，具有持久的磁共振成像标记效果。Yao等[38]进一步证实超顺磁性氧化铁纳米颗粒@SiO2-NH2纳米粒子能有效标记骨髓间充质干细胞，有利于其迁移，标记后的骨髓间充质干细胞仍能存活并保持成骨和成脂分化潜能。
生物活性玻璃是世界上唯一一种既能够与骨组织成键结合，同时又能与软组织相连接的人工生物材料，其主要成分包括SiO2、Na2O、CaO、P2O5等。有研究显示，生物活性玻璃能够促进刺激血管生成生长因子的释放，从而血管的生成，且能促进成骨细胞的增殖[39]。由于生物活性玻璃具有良好的生物相容性及生物活性，被广泛应用于口腔科、骨科的骨缺损修复及软组织愈合。SINGH等[40]通过电化学放电在镁合金表面成功制备了生物活性玻璃-Fe3O4-壳聚糖纳米复合涂层，结果证明该复合纳米涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有明显的抑制作用；进行7 d的生物学活性评估后发现，涂层表面出现了磷灰石矿化现象，提高了骨结合的能力；基于以上结果，该复合纳米涂层可以促进骨的形成，在控制感染的同时有效的进行骨缺损修复。KESSE等[41]采用共沉淀法和溶胶?凝胶化学相结合的方法制备出以SiO2-CaO生物活性玻璃为外壳，以超顺磁性γ-Fe2O3为核心的磁性生物活性核壳纳米颗粒(γ-Fe2O3@SiO2-CaO)，透射电镜下观察该纳米颗粒没有团聚现象，且保持了纳米尺寸；在交变磁场作用下磁性纳米颗粒能够释放热量，从而杀灭肿瘤区域的致癌细胞，此为磁热疗法；磁热疗法结合生物活性玻璃的生物相容性及促进成骨等优点，可以作为一种有前途的治疗骨癌的生物材料，进而达到抑制并杀灭癌细胞、促进骨组织修复的目的。
2.2.2 碳碳纳米管是管状纳米级石墨晶体，由一层或多层石墨片按照一定的螺旋角卷曲而成的纳米材料，具有较大的比表面积，从而有着较强的吸附能力，此外由于其极高的机械强度、独特的导电性及热稳定性，受到了电化学、复合材料等领域的青睐。?WI?TEK等[42]制备了羟基多壁碳纳米管，加入磁性氧化铁纳米颗粒后形成杂化纳米颗粒，进而对聚己内酯进行修饰，经过羟基化的碳纳米管生物相容性得到了提高，且由于杂化纳米颗粒的存在提高了人骨肉瘤SAOS-2细胞的黏附性。
有研究显示，多壁碳纳米管可增强复合支架的机械强度，能促进MC3T3-E1成骨细胞的矿化能力[43]。SABER-SAMANDARI等[44]采用冷冻干燥技术成功制备出明胶/阿克曼石/Fe3O4/多壁碳纳米管原位纳米复合双功能多孔支架，该支架将磁性纳米氧化铁作为光热转换剂起到热疗的作用，同时又具备组织再生的功能；磁铁矿和碳纳米管纳米颗粒的加入降低了纳米复合材料的弹性，减少了支架过度膨胀降低机械强度的可能；理想的支架必须具备可控的生物降解速度，从而能够与组织生成速度相匹配，实验结果表明该复合支架的生物降解性下降，为组织再生提供了时间；多壁碳纳米管的加入还增加了蛋白质的吸附率，对局部组织修复的成败起到关键的作用；对支架的生物相容性进行评价，结果显示该复合支架具备良好的生物相容性，且磁铁矿和多壁碳纳米管可以促进G292成骨细胞的生长和增殖。
2.2.3 其他除了二氧化硅和碳以外，磷酸钙、羟基磷灰石、部分金属也常常作为修饰氧化铁的无机涂层，进而改善纳米粒子的理化性状。
磷酸钙骨水泥具有良好的骨传导性，能够为血管的长入和新骨的形成提供一个支架，作为一种新型的人工骨材料，在骨缺损修复领域的应用已越来越多。XIA等[45]将氧化铁纳米粒子粉末添加到磷酸钙骨水泥粉末中制成磷酸钙骨水泥+氧化铁纳米粒子支架，氧化铁纳米粒子的加入弥补了磷酸钙强度低的缺点，增加了支架的机械性能，其中含3%氧化铁纳米粒子的磷酸钙骨水泥最大程度上促进了人牙髓干细胞的成骨分化。羟基磷灰石是一种胶体磷酸钙，主要存在于人体的骨骼和牙齿中，将羟基磷灰石作为修饰物在生物相容性方面增强了氧化铁纳米粒子的仿生性。TRAN等[46]成功制备出羟基磷灰石包覆的磁性氧化铁纳米粒子，纳米颗粒呈棒状，平均粒径为170 nm；结果显示，羟基磷灰石包覆的Fe3O4纳米粒子促进了人成骨细胞的增殖与分化，且具备相似的超顺磁性，利用外部磁场可将其定向到骨缺损部位实现骨修复。
研究显示，棒状颗粒比球形颗粒组成的羟基磷灰石多孔生物陶瓷有着较好的生物可吸收性，且能迅速实现骨结合，棒状颗粒的缠绕还提高了材料的机械性能。所以，KAMITAKAHARA等[47]采用水热法制备了磁性纳米颗粒与羟基磷灰石纳米颗粒复合的球形多孔羟基磷灰石颗粒，即将磁性纳米颗粒与羟基磷灰石纳米颗粒组成的复合纳米颗粒嵌入到棒状羟基磷灰石颗粒组成的多孔球形颗粒中，随着骨的生成，羟基磷灰石被逐渐吸收，磁性纳米颗粒也随之被巨噬细胞吞噬；实验结果显示，在交变磁场下该复合纳米材料能够产生足够的热量来杀死肿瘤细胞，有望用于骨肿瘤的热疗。贵金属由于其惰性、化学性质稳定具备良好的生物相容性。
有研究显示，金(Au)纳米粒子对骨髓间充质干细胞的成骨分化有促进作用[48]。YUAN等[49]采用晶种生长法合成了超顺磁性氧化铁-Au核-壳纳米粒子，探讨了不同浓度超顺磁性氧化铁-Au对小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)活力、增殖、分化的影响，透射电子显微镜显示该纳米粒子呈现标准球形形态，分散且稳定，平均粒径为(17.3±1.2)nm。超顺磁性氧化铁-Au纳米粒子对MC3T3-E1未发现有明显的细胞毒性作用，且具备促进MC3T3-E1成骨分化的能力，超顺磁性氧化铁-Au浓度≤40 mg/L时表现出较佳的增殖效果。
2.3 有机-无机复合材料矿化胶原是由胶原分子和纳米磷酸钙矿物组成的有机-无机复合材料。针对骨修复，单纯的胶原支架力学性能较差，单纯的磷酸钙支架具有较强的强度，但是韧性较差；骨骼成分既具备刚性又具备韧性，所以矿化胶原是进行纳米粒子表面修饰的一个合适的选择[50]。ZHOANG等[51]在钛基体表面设计了Fe3O4/矿化胶原涂层，在外加磁场的作用下该涂层可产生变形，从而对植入物表面和细胞产生机械刺激，促进MC3T3-E1细胞的成骨分化；实验结果显示，质量比为0.67的涂层具有较明显的机械刺激效应，促进了外层的成骨细胞的铺展面积、增殖分化与成骨相关基因的表达；这为实施机械刺激以激活骨-种植体界面上的机械转导进而促进骨整合提供了一种很有前途的策略。

参考文献

[1] NOORI A, ASHRAFI SJ, VAEZ-GHAEMI R, et al. A review of fibrin and fibrin composites for bone tissue engineering. Int J Nanomedicine. 2017;12:4937-4961.
[2] 官晨雨,侯世达,周洋,等.磁性四氧化三铁纳米颗粒作用于前成骨细胞的生物相容性[J].中国组织工程研究,2016,20(38):5684-5690.
[3] LAURENT S, FORGE D, PORT M, et al. Magnetic iron oxide nanoparticles: synthesis, stabilization, vectorization, physicochemical characterizations, and biological applications. Chem Rev. 2008;108(6): 2064-2110.
[4] ASSA F, JAFARIZADEH-MALMIRI H, AJAMEIN H, et al. Chitosan magnetic nanoparticles for drug delivery systems. Crit Rev Biotechnol. 2017;37(4):492-509.
[5] YU P, ZHENG L, WANG P, et al. Development of a novel polysaccharide-based iron oxide nanoparticle to prevent iron accumulation-related osteoporosis by scavenging reactive oxygen species. Int J Biol Macromol. 2020;165(Pt B):1634-1645.
[6] LIU Y, AI K, LU L. Polydopamine and its derivative materials: synthesis and promising applications in energy, environmental, and biomedical fields. Chem Rev. 2014;114(9):5057-5115.
[7] HUANG Z, HE Y, CHANG X, et al. A Magnetic Iron Oxide/Polydopamine Coating Can Improve Osteogenesis of 3D-Printed Porous Titanium Scaffolds with a Static Magnetic Field by Upregulating the TGFβ-Smads Pathway. Adv Healthc Mater. 2020;9(14):e2000318.
[8] DUAN L, ZUO J, ZHANG F, et al. Magnetic Targeting of HU-MSCs in the Treatment of Glucocorticoid-Associated Osteonecrosis of the Femoral Head Through Akt/Bcl2/Bad/Caspase-3 Pathway. Int J Nanomedicine. 2020;15:3605-3620.
[9] MONTASER AS, REHAN M, EL-NAGGAR ME. pH-Thermosensitive hydrogel based on polyvinyl alcohol/sodium alginate/N-isopropyl acrylamide composite for treating re-infected wounds. Int J Biol Macromol. 2019;124:1016-1024.
[10] AFSANA, JAIN V, HAIDER N, JAIN K. 3D Printing in Personalized Drug Delivery. Curr Pharm Des. 2018;24(42):5062-5071.
[11] LAZARATOS M, KARATHANOU K, MAINAS E, et al. Coating of magnetic nanoparticles affects their interactions with model cell membranes. Biochim Biophys Acta Gen Subj. 2020;1864(11):129671.
[12] SCHULZE F, GRAMOUN A, CROWE LA, et al. Accumulation of amino-polyvinyl alcohol-coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles in bone marrow: implications for local stromal cells. Nanomedicine (Lond). 2015;10(14):2139-2151.
[13] KONG L, CAMPBELL F, KROS A. DePEGylation strategies to increase cancer nanomedicine efficacy. Nanoscale Horiz. 2019;4(2):378-387.
[14] BLACHE U, METZGER S, VALLMAJO-MARTIN Q, et al. Dual Role of Mesenchymal Stem Cells Allows for Microvascularized Bone Tissue-Like Environments in PEG Hydrogels. Adv Healthc Mater. 2016;5(4):489-498.
[15] FILIPPI M, DASEN B, GUERRERO J, et al. Magnetic nanocomposite hydrogels and static magnetic field stimulate the osteoblastic and vasculogenic profile of adipose-derived cells. Biomaterials. 2019;223: 119468.
[16] FRAZER RQ, BYRON RT, OSBORNE PB, et al. PMMA: an essential material in medicine and dentistry. J Long Term Eff Med Implants. 2005;15(6):629-639.
[17] LI Z, KAWAMURA K, KAWASHITA M, et al. In vitro assessment of poly(methylmethacrylate)-based bone cement containing magnetite nanoparticles for hyperthermia treatment of bone tumor. J Biomed Mater Res A. 2012;100(10):2537-2545.
[18] YU K, LIANG B, ZHENG Y, et al. PMMA-Fe3O4 for internal mechanical support and magnetic thermal ablation of bone tumors. Theranostics. 2019;9(14):4192-4207.
[19] REDDY AM, KWAK BK, SHIM HJ, et al. Functional characterization of mesenchymal stem cells labeled with a novel PVP-coated superparamagnetic iron oxide. Contrast Media Mol Imaging. 2009;4(3):118-126.
[20] DOMINGUES RM, GOMES ME, REIS RL. The potential of cellulose nanocrystals in tissue engineering strategies. Biomacromolecules. 2014;15(7):2327-2346.
[21] KIM M, JEE SC, SUNG JS, et al. Supermagnetic Sugarcane Bagasse Hydrochar for Enhanced Osteoconduction in Human Adipose Tissue-Derived Mesenchymal Stem Cells. Nanomaterials (Basel). 2020;10(9): 1793.
[22] RANGANATHAN S, BALAGANGADHARAN K, SELVAMURUGAN N. Chitosan and gelatin-based electrospun fibers for bone tissue engineering. Int J Biol Macromol. 2019;133:354-364.
[23] SHI SF, JIA JF, GUO XK, et al. Biocompatibility of chitosan-coated iron oxide nanoparticles with osteoblast cells. Int J Nanomedicine. 2012;7:5593-5602.
[24] NEHRA P, CHAUHAN RP, GARG N, et al. Antibacterial and antifungal activity of chitosan coated iron oxide nanoparticles. Br J Biomed Sci. 2018;75(1):13-18.
[25] RABEL AM, NAMASIVAYAM SKR, PRASANNA M, et al. A green chemistry to produce iron oxide - Chitosan nanocomposite (CS-IONC) for the upgraded bio-restorative and pharmacotherapeutic activities - Supra molecular nanoformulation against drug-resistant pathogens and malignant growth. Int J Biol Macromol. 2019;138:1109-1129.
[26] BHARATHI D, RANJITHKUMAR R, VASANTHARAJ S, et al. Synthesis and characterization of chitosan/iron oxide nanocomposite for biomedical applications. Int J Biol Macromol. 2019;132:880-887.
[27] 杨滨羽,罗霞,刘佳伶,等.葡聚糖包裹超顺磁性氧化铁纳米材料用于关节软骨磁共振T_2-Map成像研究[J].生物医学工程研究, 2020,39(1):36-40.
[28] ZHU N, JI H, YU P, et al. Surface Modification of Magnetic Iron Oxide Nanoparticles. Nanomaterials (Basel). 2018;8(10):810.
[29] HAO L, LI L, WANG P, et al. Synergistic osteogenesis promoted by magnetically actuated nano-mechanical stimuli. Nanoscale. 2019; 11(48):23423-23437.
[30] SHELAT R, BHATT LK, PAUNIPAGAR B, et al. Regeneration of hyaline cartilage in osteochondral lesion model using L-lysine magnetic nanoparticles labeled mesenchymal stem cells and their in vivo imaging. J Tissue Eng Regen Med. 2020;14(11):1604-1617.
[31] WANG Y, WANG Y, WANG L, et al. Preparation and evaluation of magnetic nanoparticles for cell labeling. J Nanosci Nanotechnol. 2011;11(5):3749-3756.
[32] SILVA LH, DA SILVA JR, FERREIRA GA, et al. Labeling mesenchymal cells with DMSA-coated gold and iron oxide nanoparticles: assessment of biocompatibility and potential applications. J Nanobiotechnology. 2016;14(1):59.
[33] SHI M, ZHOU Y, SHAO J, et al. Stimulation of osteogenesis and angiogenesis of hBMSCs by delivering Si ions and functional drug from mesoporous silica nanospheres. Acta Biomater. 2015;21:178-189.
[34] JIA Y, ZHANG P, SUN Y, et al. Regeneration of large bone defects using mesoporous silica coated magnetic nanoparticles during distraction osteogenesis. Nanomedicine. 2019;21:102040.
[35] LEE DH, KANG M, LEE HJ, et al. Enhanced Cellular Uptake of Silica-Coated Magnetite Nanoparticles Compared with PEG-Coated Ones in Stem Cells. J Nanosci Nanotechnol. 2015;15(8):5512-5519.
[36] MITRAGOTRI S, LAHANN J. Physical approaches to biomaterial design. Nat Mater. 2009;8(1):15-23.
[37] WANG HH, WANG YX, LEUNG KC, et al. Durable mesenchymal stem cell labelling by using polyhedral superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Chemistry. 2009;15(45):12417-12425.
[38] YAO D, LIU NN, MO BW. Assessment of proliferation, migration and differentiation potentials of bone marrow mesenchymal stem cells labeling with silica-coated and amine-modified superparamagnetic iron oxide nanoparticles. Cytotechnology. 2020;72(4):513-525.
[39] DAY RM. Bioactive glass stimulates the secretion of angiogenic growth factors and angiogenesis in vitro. Tissue Eng. 2005;11(5-6):768-777.
[40] SINGH S, SINGH G, BALA N, et al. Characterization and preparation of Fe3O4 nanoparticles loaded bioglass-chitosan nanocomposite coating on Mg alloy and in vitro bioactivity assessment. Int J Biol Macromol. 2020;151:519-528.
[41] KESSE X, ADAM A, BEGIN-COLIN S, et al. Elaboration of Superparamagnetic and Bioactive Multicore-Shell Nanoparticles (γ-Fe2O3@SiO2-CaO): A Promising Material for Bone Cancer Treatment. ACS Appl Mater Interfaces. 2020;12(42):47820-47830.
[42] ŚWIĘTEK M, BROŽ A, TARASIUK J, et al. Carbon nanotube/iron oxide hybrid particles and their PCL-based 3D composites for potential bone regeneration. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;104:109913.
[43] VALVERDE TM, CASTRO EG, CARDOSO MH, et al. A novel 3D bone-mimetic scaffold composed of collagen/MTA/MWCNT modulates cell migration and osteogenesis. Life Sci. 2016;162:115-124.
[44] SABER-SAMANDARI S, MOHAMMADI-AGHDAM M, SABER-SAMANDARI S. A novel magnetic bifunctional nanocomposite scaffold for photothermal therapy and tissue engineering. Int J Biol Macromol. 2019;138:810-818.
[45] XIA Y, GUO Y, YANG Z, et al. Iron oxide nanoparticle-calcium phosphate cement enhanced the osteogenic activities of stem cells through WNT/β-catenin signaling. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019;104:109955.
[46] TRAN N, WEBSTER TJ. Increased osteoblast functions in the presence of hydroxyapatite-coated iron oxide nanoparticles. Acta Biomater. 2011;7(3):1298-1306.
[47] KAMITAKAHARA M, OHTOSHI N, KAWASHITA M, et al. Spherical porous hydroxyapatite granules containing composites of magnetic and hydroxyapatite nanoparticles for the hyperthermia treatment of bone tumor. J Mater Sci Mater Med. 2016;27(5):93.
[48] YI C, LIU D, FONG CC, et al. Gold nanoparticles promote osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells through p38 MAPK pathway. ACS Nano. 2010;4(11):6439-6448.
[49] YUAN M, WANG Y, QIN YX. SPIO-Au core-shell nanoparticles for promoting osteogenic differentiation of MC3T3-E1 cells: Concentration-dependence study. J Biomed Mater Res A. 2017; 105(12):3350-3359.
[50] LI Z, DU T, RUAN C, et al. Bioinspired mineralized collagen scaffolds for bone tissue engineering. Bioact Mater. 2020;6(5):1491-1511.
[51] ZHUANG J, LIN S, DONG L, et al. Magnetically actuated mechanical stimuli on Fe3O4/mineralized collagen coatings to enhance osteogenic differentiation of the MC3T3-E1 cells. Acta Biomater. 2018;71:49-60.

引言

创伤、肿瘤、骨质疏松等疾病均可造成骨缺损，虽然骨组织具有自身修复的能力，但是如果缺损范围大于骨愈合的能力，或者骨破坏的速度大于骨形成的速度，该部位将不会完全修复或者出现骨再生，这便需要引入外来物质来对机体进行辅助，促进成骨。然而，目前的骨移植材料由于移植物供应有限、出血、慢性疼痛、感染、传染病传播的风险、免疫排斥的可能、移植物灭菌导致的生物和机械性能的丧失及不能很好地与宿主骨结合等缺点[1]，使得骨缺损修复成为临床治疗中的一个挑战。一些学者将磁性纳米颗粒作为骨组织工程的支架材料之一，结果显示该材料能够促进成骨细胞黏附、提高碱性磷酸酶活性[2]。
当前较常用的磁性纳米颗粒是氧化铁纳米颗粒，氧化铁在自然界中较为常见且容易合成。纳米颗粒状态下的氧化铁比表面积显著增加。直径小于30 nm的氧化铁纳米颗粒在常温下处于超顺磁性状态，即在没有外部磁场的情况下它们的磁化为零，但是它们可以被外部磁源磁化，该性质增强了溶液中磁性纳米颗粒的稳定性。因此，可以利用外部磁场将氧化铁纳米颗粒定向至靶向器官、肿瘤或骨缺损等部位，从而达到核磁共振成像、药物输送、干细胞追踪、组织修复等目的。这些生物医学应用中都要求纳米颗粒具有高磁化值、小于100 nm的尺寸和较分散的颗粒分布，所以需要对其进行表面涂层，这种涂层必须是无毒的、具有生物相容性的[3]。通常，纳米粒子的大小、表面积、形状、组成和涂层是有关细胞毒性的最重要特征，其中纳米粒子表面的修饰是使毒理学作用降至最低的关键方法[4]。通过对纳米粒子进行表面修饰，不仅能够降低其毒性、提高生物相容性，还能达到提高粒子间分散性、增加载药量及标记细胞等目的。现常用有机材料和无机材料来对氧化铁纳米粒子进行表面修饰，该文就近年来在骨缺损修复方面的氧化铁纳米粒子表面处理做一综述。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

氧化铁纳米粒子表面处理如何更适应骨缺损的修复

Surface treatment of iron oxide nanoparticles in bone defect repair

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[1]	王景, 熊山, 曹金, 冯林伟, 王信. 白细胞介素3在骨代谢中的作用及机制[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1260-1265.
[2]	肖豪, 刘静, 周君. 脉冲电磁场治疗绝经后骨质疏松症的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1266-1271.
[3]	吴玮玥, 郭晓东, 包崇云. 工程化外泌体在骨修复再生中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1102-1106.
[4]	周洪琴, 吴丹丹, 杨琨, 刘琪. 传递特定miRNA的外泌体可调控成骨并促进成血管[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1107-1112.
[5]	梁学振, 杨曦, 李嘉程, 骆帝, 许波, 李刚. 补肾活血胶囊介导Hedgehog信号通路调控大鼠骨髓间充质干细胞成骨成脂分化[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1020-1026.
[6]	罗小玲, 张丽, 杨茂桦, 徐洁, 徐晓梅. 柚皮素干预人牙周膜干细胞的成骨分化能力[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1051-1056.
[7]	康坤龙, 王新涛. 生物支架材料促进骨髓间充质干细胞成骨分化的研究热点[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 597-603.
[8]	杨斯迪, 王倩, 许诺, 王榕焓, 靳传奇, 陆颖, 董明. 上调骨形态发生蛋白2促进成骨细胞增殖分化的硅酸钙类材料Biodentine[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 516-520.
[9]	陈硕, 肖东琴, 李兴平, 冉斌, 匙峰, 张成栋, 邓丽, 黄南翔, 刘康, 冯刚, 段可. 钛植入体表面钽功能涂层制备及性能表征[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 546-552.
[10]	何云影, 李玲婕, 张舒淇, 李雨舟, 杨生, 季平. 聚丙烯酸/琼脂糖三维培养构建细胞球的方法[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 553-559.
[11]	冯冬菲, 何洪旭, 谢琪, 张立立, 周惠, 李威. 牙周重建生物功能与调节通路关键基因的筛选[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(2): 253-259.
[12]	曹炜, 冒符荣, 胡小华, 杨晓红. N-6甲基腺嘌呤RNA甲基化调控骨髓间充质干细胞的成骨及成脂分化[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(2): 266-270.
[13]	吴赛璇, 张咪, 董明, 陆颖, 牛卫东. 骨稳态过程中Keap1/Nrf2/ARE信号通路的调控作用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(2): 271-275.
[14]	孙友强, 马超, 梁萌梦, 辛鹏飞, 张华, 向孝兵. 自噬在骨细胞中重要作用的最新研究进展：骨相关细胞活性和骨代谢[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(2): 276-282.
[15]	范丹阳, 付润泽, 米佳静, 刘春艳. 骨改建过程中大麻素受体的表达及作用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(2): 283-288.