使用 QCM-D 表征異物對功能涂層修飾種植體的反應

如今，植入手術已成為常見的標準手術。然而，與受損創傷愈合相關的潛在風險仍然存在。這些并發癥可能會給治療帶來挑戰，并對患者的整體康復過程產生不利影響。為了解決這個問題，研究人員正在尋找改善種植體整合和降低感染風險的方法。

為了更多地了解該研究領域以及如何應用QSense 耗散型石英晶體微天平分析技術（QCM-D）促進該領域研究的工作，百歐林的Malin Edvardsson博士聯系了奧斯陸大學生物材料系副教授Hanna Tiainen。Tiainen教授的研究重點是生物材料涂層及其對活體組織生物反應的影響。在她的團隊中，他們特別關注如何利用植物多酚來應對種植體表面的炎癥和細菌感染。最近，他們進行了一項研究¹，以檢測這些涂層如何影響蛋白質吸附并調節種植體表面上的細胞行為。在本文中，我們將分享從采訪 Tiainen 教授中學到的內容。

種植體周圍的傷口愈合受損可能會給患者帶來問題

雖然植入種植體以恢復功能或美觀已成為一種常見的外科手術，但是Tiainen教授表示，種植體周圍的傷口愈合受損可能會給患者帶來很多麻煩，種植體與周圍組織的整合不良通常會導致持續感染，而這種感染是難以治療的，并且通常將移除受感染的種植體作為有效的治療選擇。

設計不會觸發免疫系統的表面的挑戰

種植體整合不良通常與身體對其作為異物的反應有關，這種由我們的免疫系統引發的所謂異物反應對于每種材料來說，取決于生物分子如何吸附在植入材料的表面上。這個過程與我們的免疫系統用抗原標記細菌和病毒，以便免疫細胞中和并清除它們非常相似。我們面臨的挑戰在于創造一個不會觸發免疫系統對抗，且不會引起炎癥和種植體包囊化的表面。

開發降低感染風險的生物材料

Tiainen 教授繼續解釋說，免疫系統的反應高度依賴于細胞如何“看到"植入材料的表面。這主要是由生物分子的初始吸附來定義的。如果我們了解特定表面上的潛在吸附機制，可以嘗試協調吸附過程，以促使特定蛋白質優先吸附，或改變其構象以顯示或隱藏影響傷口愈合和體內種植體接受程度的重要受體區域，Tiainen教授說。

“我們的研究重點是了解材料的物理和化學表面特性如何影響與活體組織直接接觸的生物材料的生物反應，"Tiainen 教授說。我們目前的許多研究工作都集中在開發多功能生物材料和表面，以改善組織整合并降低感染風險，特別是在植入生物材料周圍的自然傷口愈合可能受到潛在慢性炎癥疾病或癌癥治療阻礙的情況下。

這項具體研究¹是挪威研究委員會資助的一個研究項目的一部分，在該項目中，我們專注于使用植物多酚來解決種植體表面的炎癥和細菌感染，植物多酚是在幾種植物性食品中發現的一組抗氧化劑和抗菌化合物。 Tiainen 教授表示，我們特別有興趣了解這些多酚涂層如何改變蛋白質吸附方式并改變種植體表面的細胞行為，因此我們的QSense Analyzer 石英晶體微天平分析儀一直被頻繁使用于這個項目。

分析以了解對涂層種植體表面的異物反應

Tiainen 教授說，在我們已發表的研究¹中，我們研究了當我們用抗氧化劑多酚分子修飾鈦種植體表面時，對鈦種植體的異物反應如何改變。免疫系統和軟組織相互作用的總體效果可以通過血液和細胞培養物來研究。通過研究與改性植入材料接觸過的血液中的凝血和補體激活標記物，我們可以將其與未改性的對照表面的反應進行比較。同樣，在體外細胞研究中，我們可以了解到改性是否對參與創傷愈合的細胞產生任何不良影響。然而，這兩種方法都無法直接回答細胞為何對材料表面產生如此反應。因此，我們需要另一種方法來更多地了解生物分子如何在表面上吸附，并在周圍環境中與細胞進一步相互作用，Tiainen 教授解釋道。

了解細胞對材料表面產生特定反應的原因

Tiainen 教授表示， QCM-D 能夠使我們探究與鈦對照表面相比多酚分子對表面的修飾如何改變其對蛋白質的吸附。我們特別感興趣的是了解蛋白質與表面的結合牢固程度，以及它們是否可以被具有更高親和力的其他蛋白質吸附所替代。這種重塑過程在文獻中通常被稱為 Vroman 效應。我們獲得的 QCM-D 結果還使我們能夠根據吸附蛋白質的特征、吸附行為和薄膜特性推斷吸附蛋白質的構象。

使用QSense QCM-D 分析表征蛋白質與功能性種植體涂層的相互作用

Tiainen 教授表示，QCM-D 技術對于實時檢測液體環境中蛋白質與多酚層的相互作用特別有幫助。

簡而言之，實驗的執行過程如下：

?  在向QSense Analyzer 儀器通入含有蛋白質的溶液之前，先在鈦芯片上沉積幾個納米厚度的多酚薄膜。

?  在涂層沉積和研究生物分子吸附之間，使用緩沖溶液沖洗芯片，直到獲得穩定的基線。

?  在監測蛋白質吸附后，我們檢查了用緩沖溶液沖洗芯片期間有多少吸附的分子被解吸附了。

QCM-D 測量結果顯示，與未改性的鈦相比，多酚表面改性的蛋白質吸附量更高。特別是QSense DFind分析軟件的高級建模功能使我們能夠發現蛋白質薄膜粘彈性行為差異，表明在我們改性的鈦表面上吸附的蛋白質薄膜結構發生了變化。

QCM-D 分析的一個關鍵結果是，用多酚分子修飾的種植體表面顯示釋放了抗氧化劑多酚分子，保護粘附的細胞免受氧化應激的影響，而修飾表面上血漿蛋白質的吸附變化導致血液中的亞群激活略微減少，Tiainen教授說道。

一種抑制植入材料免疫反應并降低傷口愈合受損風險的方法

Tiainen 教授說，表面改性是影響材料與體內活組織接觸時發生的復雜生物相互作用的有效工具。在這項研究¹中，我們發現多酚涂層改變了吸附的蛋白質層，并減少了對鈦的先天免疫反應，鈦本身是一種具高度生物相容性的材料，在植入體內時通常會引起較低的異物反應。由于我們可以在幾乎任何材料的表面沉積一層薄薄的多酚分子，因此我們可以利用我們的表面改性方法來減弱對那些已知會比鈦引起更強烈異物反應的種植體材料的初始免疫反應，Tiainen教授總結道。

參考文獻

1.          Weber, F., et al., J. Biomed. Mater. Res. A, 2022, 110(7):1341-1355