石墨烯介导巨噬细胞膜涂层的制备及对钛种植体防污和免疫调控性能的影响

doi:10.7503/cjcu20230451

摘要/Abstract

摘要：

钛种植体容易受到生物污染和炎症反应的影响, 从而导致骨融合不良甚至种植失败. 本文通过聚多巴胺将石墨烯固定于钛种植体表面, 然后利用石墨烯与M₂型巨噬细胞膜之间极强的相互作用力, 将M₂型巨噬细胞膜结合到氧化石墨烯层表面, 在宏观水平上制备了一种具有生物活性的细胞膜涂层. 该天然细胞膜涂层可以有效防止蛋白的非特异性吸附, 具有良好的抗生物污染性能. 同时, 由于天然细胞膜存在高细胞亲和力, 修饰上细胞膜涂层的钛种植体表现出良好的生物相容性. 此外, 采用免疫荧光和实时荧光定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)对促炎因子(iNOS和TNF-α)和抗炎因子(IL-10和IL-1ra)进行了检测. 实验结果表明, 在炎症环境下, 修饰上M₂型巨噬细胞膜涂层的钛种植体可诱导RAW264.7细胞向M₂型极化, 具有优异的免疫调控能力. 因此, 这种依靠石墨烯与磷脂之间相互作用力的细胞膜涂层制备策略为解决钛种植体生物污染和炎症反应等问题提供了一种全新的思路.

关键词: 钛种植体, 石墨烯, 细胞膜涂层, 生物相容性, 免疫调控

Abstract:

Titanium implants are susceptible to biofouling and inflammatory reactions， which can lead to poor bone fusion and implant failure. In this paper， we fixed graphene to the surface of titanium implant by polydopamine and then bound the M₂ macrophage membrane to the graphene surface via the extremely strong interaction force between graphene and phospholipid in the cell membrane to create a bioactive cell membrane coating at the macroscopic level. This homogeneous cell membrane coating has excellent resistance to biological contamination， which can effectively prevent non-specific adsorption of proteins. Titanium implants with cell membrane coatings showed excellent biocompatibility due to the high cellular affinity of native cell membranes. In addition， immunofluorescence and RT-qPCR（Real-time quantitative polymerase chain reaction） were used for detection of proinflammatory markers（iNOS， TNF-α） and anti-inflammatory markers（IL-10， IL-1ra）. In an inflammatory environment， the experimental results showed that the modified cell membrane-coated titanium implants could induce the polarization of macrophages to M₂ type and had excellent immunomodulatory ability. This cell membrane coating preparation strategy， relying on the interaction force between graphene and phospholipids， provides ideas for solving the problems of bio-contamination and inflammatory response of titanium implants.

Key words: Titanium implant, Graphene, Cell membrane coating, Biocompatibility, Immune regulation

中图分类号:

O614.41

TrendMD:

雷嘉辉, 罗斌, 孙小庆, 张宇佳, 胡筱琴, 蓝芳, 吴尧. 石墨烯介导巨噬细胞膜涂层的制备及对钛种植体防污和免疫调控性能的影响. 高等学校化学学报, 2024, 45(3): 20230451.

LEI Jiahui, LUO Bin, SUN Xiaoqing, ZHANG Yujia, HU Xiaoqin, LAN Fang, WU Yao. Preparation of Graphene Mediated Macrophage Membrane Coating and Its Effects on the Anti-fouling and Immunomodulatory Properties of Tianium Implants. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(3): 20230451.

图/表 10

Fig.1 Flow cytometry results of RAW264.7 cells(A) and RAW264.7 cells stimulated by IL⁃4 for 24 h(B)

Fig.2 Fluorescence images(A—C) and semi⁃quantitative analysis of the fluorescence images(D) of Ti⁃M(A, a), Ti⁃PDA⁃M(B, b) and Ti⁃PDA⁃GO⁃M(C, c)（D） Error bars represent standard deviation（n=3）； *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001， ****P<0.0001） vs. Ti-M group.

Fig.3 Fluorescence images(A—C), semi⁃quantitative analysis(D) of the stability of M2 macrophages coating at 1(A), 5(B), and 14 day(C)（D） Error bars represent standard deviation（n=3）； *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001， ****P<0.0001） vs. 1 d group.

Fig.4 SEM images(A—C), IR spectra(D) and X⁃ray photoelectron energy spectra(E) of Ti(A), Ti⁃PDA⁃GO(B) and Ti⁃PDA⁃GO⁃M(C)Insets of （A—C）： magnification SEM images of Ti， Ti-PDA-GO and Ti-PDA-GO-M.

Fig.5 Water contact angle of Ti, Ti⁃PDA⁃GO and Ti⁃PDA⁃GO⁃MError bars represent standard deviation（n=3）； *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001， ****P<0.0001） vs. Ti group.

Fig.6 Fluorescence images(A—F) and semi⁃quantitative analysis of the fluorescence images(G, H) of BSA(A—C, G) and HAS(D—F, H) and zeta potential(I) on Ti(A, D, a), Ti⁃PDA⁃GO(B, E, b) and Ti⁃PDA⁃GO⁃M(C, F, c)（G—I） Error bars represent standard deviation（n=3）； *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001， ****P<0.0001） vs. Ti group.

Fig.7 Fluorescence images of RAW264.7 cell proliferation on Ti(A—D), Ti⁃PDA⁃GO(E—H) and Ti⁃PDA⁃GO⁃M(I—L) at 1(A, E, I), 3(B, F, J), 5(C, G, K), and 7 d(D, H, L)

Fig.8 Semi⁃quantitative fluorescence results of RAW264.7 cell proliferation on Ti, Ti⁃PDA⁃GO and Ti⁃PDA⁃GO⁃M at 1, 3, 5, and 7 dError bars represent standard deviation（n=3）； *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001， ****P<0.0001） vs. Ti group.

Fig.9 The relative mRNA expression levels of iNOS and TNF⁃α(A), IL⁃10 and IL⁃1ra(B) in Ti, Ti⁃PDA⁃GO and Ti⁃PDA⁃GO⁃M after 24 hError bars represent standard deviation（n=3）； *P<0.05， **P<0.01， ***P<0.001， ****P<0.0001） vs. Ti group.

Fig.10 Fluorescence images of iNOS(A—C) and CD206(D—F) in Ti(A, D), Ti⁃PDA⁃GO(B, E) and Ti⁃PDA⁃GO⁃M(C, F) after 24 h

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