磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷表面接枝多肽改性研究
张翔, 周大利, 龙沁, 周加贝, 谭言飞, 柳淑婧
四川大学 材料科学与工程学院, 成都 610064
周大利, 教授. E-mail:zdl@scu.edu.cn

张 翔(1986-), 男, 博士研究生. E-mail:zhang_npu@yahoo.cn

摘要

为在磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷(Apatite-Wollastonite Bioactive Glass-Ceramic, AW)表面引入能够促进细胞粘附的RGD(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸)多肽以提高其生物活性, 采用低温等离子法在材料的表面引入活性氨基基团, 并通过浸渍法使氨基基团与多肽发生反应。采用XRD、XPS、ATR-FTIR对AW的相组成及表面改性特性进行表征, 确认通过低温等离子法在AW表面接上氨基, RGD多肽分子与氨基反应以化学键合的形式接枝到材料表面(RGD-AW), 实现了在AW表面接枝生物大分子的改性。将改性前后的材料分别与类成骨细胞(MG63细胞)混合培养并使用荧光显微镜、SEM及MTT等测试方法对材料的细胞生物学性能进行了表征。细胞实验结果表明: 接枝RGD多肽分子的材料在细胞培养的早期阶段比AW更有利于细胞的粘附及铺展。

关键词: AW生物活性玻璃陶瓷; 氨基; 表面改性; 等离子接枝; RGD固定; 细胞粘附
中图分类号:TQ174   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2013)10-1137-06
Surface Modification of Apatite-wollastonite Bioactive Glass-ceramic by Grafting with RGD Peptides
ZHANG Xiang, ZHOU Da-Li, LONG Qin, ZHOU Jia-Bei, TAN Yan-Fei, LIU Shu-Jing
College of Materials Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, China
Abstract

Tripeptide of arginine-glycine-aspartic acid (RGD) has been introduced to modify of biomaterials due to its high bio-activity, which could increase the cell adhesion. In this study, the apatite-wollastonite bioactive glass-ceramic (AW) with RGD peptide (RGD-AW) was fabricated. Firstly, the amino groups were introduced to the AW surfacevia low temperature plasma treatment. Then, RGD peptide were immobilized on the surface of AW by combination with the amino groups. The XRD, XPS and ATR-FTIR results confirmed that the RGD peptide were fixed on the surface of AW successfully. In order to testify whether the RGD-AW were more favorable to the cells, MG63 osteblast-like cells were employed to co-culture with RGD-AW for 4 h, 1 d and 5 din vitro. The results of fluorescence microscopy, SEM and MTT assay showed that RGD-AW could enhance the attachment and proliferation of MG63 cells significantly compared with AW.

Keyword: apatite-wollastonite bioactive glass-ceramic; amino-group; surface modification; plasma induced grafting; RGD immobilization; cell adhesion

磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷(Apatite- Wollastonite Bioactive Glass-Ceramic, AW )因具有良好的力学性能、可降解性以及在植入体内后能够与骨组织形成骨性结合并诱导骨组织的再生而受到广泛的研究[ 1]。作为硬组织修复生物材料不仅要有足够的强度而且还应该在植入体内后要能够促进细胞的粘附并利于细胞的增殖和分化。虽然AW具有良好的生物活性, 但是由于在制备的过程中经过高温烧结致密化, 材料表面作为细胞粘附的活性位点数显著降低, 导致AW在植入体内后与细胞之间相互作用减少。近年来大量对细胞与细胞外基质(extracellular matrix, ECM)之间分子作用机制的研究使得人们发现许多生物分子(天然的蛋白质以及人工合成的多肽)[ 2, 3, 4, 5, 6]可调控细胞的粘附和增殖。人工合成的多肽相比天然的蛋白质具有获取容易、无免疫原性及价格相对低廉等优势而受到重视, 含有RGD(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸)序列的多肽由于广泛存在于ECM的各种蛋白中(如纤连蛋白、纤维蛋白原、层粘连蛋白、各型胶原蛋白及玻连蛋白等), 并且能够与细胞膜上的多种蛋白结合并使之活化而受到非常广泛的研究[ 7, 8, 9, 10, 11, 12]。Ceylan等[ 13]在无生物活性的不锈钢表面上引入多肽纤维并将材料和静脉内皮细胞(HUVECs)混合培养一段时间后发现: 与原始的不锈钢表面相比表面改性处理后的材料表面变得利于细胞粘附、铺展和增殖。Park等[ 14]使用电沉积的方法先在钛合金的牙种植体表面上沉积一层具有良好化学稳定性的聚乙二醇(PEG), 并在PEG上接枝RGD多肽, 之后的动物实验表明接枝RGD多肽能够让细胞更快地粘附于材料的表面并进行后续的增殖和分化, 从而加快骨组织的愈合。

气体放电产生的低温等离子体具有高能、高反应活性的特点, 通过辉光放电作用可将能生成氨基的气体电离成带正电荷的高能离子和带负电荷的高能电子, 能与无机生物材料表面的中性分子或原子作用在材料表面接上氨基等。苏葆辉等[ 15]采用低温等离子体处理聚羟基磷酸钙钠(HPPA), 在HPPA表面引入氨基(-NH2)和羟基(-OH), 通过蛋白吸附和体外成骨细胞培养表明改性后的HPPA能促进成骨细胞的生长和提高碱性磷酸酶的活性。

本研究使用低温等离子法在AW表面接上活性氨基基团, 然后利用与氨基化学交联的方法为AW表面接枝上RGD多肽序列。通过与MG63细胞复合培养评价改性前后材料对细胞粘附及生长的影响。

1 实验
1.1 材料制备

以正硅酸乙酯(TEOS)、磷酸三乙酯(TEP)、Ca(NO3)2·4H2O、Mg(NO3)2·6H2O、HNO3、NH4HF2、C2H5OH为原料, 按名义化学组成(wt%): MgO 4.6%, CaO 44.9%, SiO234.2%, P2O516.3%, CaF20.5%配方, 采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法得到含磷、硅、钙、镁、氟凝胶, 经冷冻干燥后在800℃煅烧1 h得到AW前驱体粉末, 将粉末球磨2 h后压制成片状(φ15mm), 按200 ℃/h的升温速率升温至1250℃烧结并保温2 h, 待冷却后用去离子水超声清洗, 干燥后得到AW样品[ 16, 17]

1.2 使用等离子法在材料表面接枝RGD多肽

将AW样品放入电容耦合射频等离子体装置(四川大学无机材料系自制)反应容器内, 选定经优化的工艺条件: 功率380 W(RF 13.56 MHz); NH3流量200 mL/min; N2流量100 mL/min; 真空度20 Pa, 处理30 min, 在材料表面引入氨基基团。

将已经引入氨基基团的生物活性玻璃陶瓷片浸入3 mL EDC-MES缓冲液(0.5%( w/ V), pH 5.5)中, 于4℃条件下浸渍24 h后取出, 用MES缓冲液漂洗3遍并浸入已经配制好的RGD-PBS缓冲溶液(500 μg/mL, pH 7.2)中(RGD: 吉尔生化有限公司, 中国, 上海), 让材料表面的NH2基团和RGD多肽上的COOH基团于室温反应4 h后取出, 用去离子水超声清洗2遍后将样品冷冻干燥, 得到表面接枝RGD多肽的生物活性玻璃陶瓷样品(记为RGD-AW)。

1.3 材料的相组成及表面成分分析

材料的相组成采用XRD衍射法分析(DX-1000 X射线衍射仪)。经表面改性处理前后的材料使用光电子能谱仪进行表面化学分析(XSAM 800, KRATO, 英国), 同时对改性处理后样品测试C1s和N1s两种元素的高分辨率光电子能谱, 使用C-H键(binding energy, BE=284.6 eV)作为样品内标对XPS谱图进行校准。并对材料表面的基团进行ATR-FTIR傅里叶变换红外分析(IRPrestige 21, 岛津, 日本)。

1.4 细胞荧光显微镜观察

使用MG-63细胞复合培养研究RGD-AW对细胞粘附和增殖的影响。MG-63细胞加入10%FBS和1%双抗的高糖DMEM培养液, 置于37℃, 5%CO2的培养箱内培养。

将φ15mm的片状样品(AW和RGD-AW)紫外灭菌后放入24孔板内置于超净工作台内备用。取对数生长期细胞, 加入胰酶消化, 待细胞收缩成圆形后加入培养液终止消化并悬浮细胞, 向细胞悬液中加入20 μg/mL的DiI细胞染色液并反复吹打, 将细胞悬液加入离心管内离心5 min, 弃去旧培养液后重新加入新鲜培养液将细胞重新悬浮并计数后稀释至

40000个/mL。向装有样品的24孔板中加入1 mL/孔的细胞悬液, 并置于37℃、5%CO2的培养箱内培养, 隔天换液。分别于1 d, 5 d将样品取出, PBS漂洗2遍后置于荧光显微镜(IX81, Olympus, 日本)下观察拍照。

1.5 细胞SEM观察

将φ15 mm的片状样品(AW和RGD-AW)紫外灭菌后放入24孔板内, 向每孔加入1 mL细胞悬液(细胞密度为40000个/mL), 并置于37℃、5%CO2的培养箱内培养, 隔天换液。分别于4 h、5 d将样品取出, 吸弃培养液后PBS漂洗2遍, 2.5%戊二醛-PBS溶液于4℃固定过夜。30%、50%、70%、80%、90%、95%、100%乙醇梯度脱水各10 min, 乙酸异戊酯置换30 min, CO2超临界点干燥, 喷金后使用SEM(S-4800, 日立, 日本)对生长于材料表面的细胞进行观察。

1.6 细胞增殖测试

将φ15 mm的片状样品(AW和RGD-AW)紫外灭菌后放入24孔板内, 24孔板其余孔作为阴性对照组, 样品和对照组均取至少4个平行样。每孔加入1 mL的细胞悬液(细胞密度为20000个/mL), 并置于37℃、5%CO2的培养箱内培养, 隔天换液。

于1 d, 3 d, 5 d分别向24孔板中每孔添加MTT 100 µL(5 mg/mL), 培养箱内继续培养4 h后终止培养, 吸弃相应孔中的培养液, 每孔添加750 µL的DMSO置于摇床低速震荡10 min以使紫色甲臜结晶充分溶解并混合均匀。将溶液于13000 r/min高速离心2 min后吸取200 µL上层甲臜溶液移入96孔板中, 使用酶标仪(Multiscan, Bio-Rad, USA)于570 nm处测吸光值。结果使用SPSS统计软件分析。

2 结果和讨论
2.1 材料的相组成

图1为1250℃下烧结制备的样品XRD图谱。通过与磷灰石、硅灰石的标准XRD图谱比对, 确定溶胶-凝胶法所制备前驱体经1250℃烧结样品的相组成主要是硅灰石和磷灰石, 另外还有少量含碳酸根的羟基磷灰石[ 18]

图1 1250℃烧结的AW生物陶瓷样品的XRD图谱Fig. 1 XRD patterns of AW sintered at 1250℃

2.2 材料表面化学组成

为检测经过低温等离子体处理的AW样品是否引入化学结合的氮元素, 将处理后的样品经去离子水超声洗涤并干燥, 其N元素高分辨率XPS图谱如图2所示。由XPS测试结果可知经低温等离子体处理的AW样品表面存在化学结合的氮元素(未洗脱), N元素以N-H键(BE=(400±0.2) eV)的形式存在, 氨基被引入了材料的表面, 其等离子体主要化学反应之一为:

图2 等离子体处理AW的N1s高分辨率XPS图谱Fig. 2 HR-XPS N1s spectrum of AW treated by plasma processing

图3为AW和RGD-AW样品的XPS全谱图, 对比改性前后样品的XPS全谱可以发现RGD-AW样品表面比原始的AW生物陶瓷多了N元素的峰。进一步对C元素和N元素的高分辨率XPS谱进行拟合解析, 结果如图4图5所示。

图3 AW和RGD-AW样品的XPS全谱图谱Fig. 3 XPS spectra of AW and RGD-AW

图4 样品RGD-AW的C1s高分辨率XPS图谱Fig. 4 HR-XPS C1s spectra of RGD-AW

图5 样品RGD-AW的N1s高分辨率XPS图谱Fig. 5 HR-XPS N1s spectra of RGD-AW

图4的XPS拟合结果表明, RGD-AW样品表面的C元素主要以C-H键(BE=(284.7±0.2) eV); C-C键(BE=(285.3±0.2) eV); C-O键(BE=(287.4±0.2) eV)的形式存在[ 19]

图5表明RGD-AW生物陶瓷材料表面出现了N元素, 经过峰拟合可知N元素主要以N-C键(BE=(398.5±0.2) eV)和N-H键(BE=(400±0.2) eV)的形式存在, 而未经处理的AW表面没有检测到N元素。结合对C元素的XPS分析可以确定RGD多肽以化学方式结合到生物活性陶瓷材料表面。

图6为RGD-AW样品的ATR-FTIR图谱, 接枝RGD多肽后的样品在波数1655和1560 cm-1处出现了两个强度比较弱的吸收峰, 它们分别归属于RGD多肽中的酰胺I带(C=O的伸缩振动)和酰胺II带(N-H的变形振动), 这也进一步验证了RGD多肽已经被接枝到材料表面的假设[ 20]。800~1300 cm-1区域的峰则主要归属于SiO4四面体中各个氧原子发生的伸缩震动, 1045 cm-1处的吸收谱带是Si-O中桥氧原子的反对称伸缩振动造成的, 而在波数920 cm-1处的吸收谱带是Si-O中非桥氧原子的反对称伸缩振动造成的[ 21]。另外PO4基团的伸缩振动吸收谱带也在1038 cm-1附近与SiO4的吸收谱带重合[ 22, 23]

图6 RGD-AW样品的ATR-FTIR图谱Fig. 6 ATR-FTIR spectrum of RGD-AW

2.3 材料与MG-63细胞复合培养荧光显微镜观察结果

图7为样品AW和RGD-AW在接种MG-63细胞1 d和5 d后的倒置荧光显微镜照片。结果表明, 将两种材料分别和细胞混合培养1 d后, 等离子接枝RGD多肽的样品表面有更多的细胞粘附(图7(b))。在和细胞混合培养5 d后, 两种样品表面的细胞数量均有显著的增加(如图7(c), (d)), 但是RGD-AW上的细胞数量要明显多于AW材料组。荧光显微镜观察结果说明利用低温等离子法在生物活性陶瓷表面接枝RGD多肽能够明显促进细胞在材料表面早期的粘附和铺展及后期的增殖。

图7 样品AW(a, c)和RGD-AW(b, d)在接种MG-63细胞1 d(a, b)和5 d(c, d)后的荧光显微镜照片(100×)Fig. 7 Fluorescence microscopy images of MG-63 cells stained by DiI cultured on the surface of AW (a, c) and RGD-AW (b, d) for 1 d (a, b) and 5 d (c, d) (100×)

2.4 SEM观察结果

图8为样品AW接种细胞之前的SEM照片。图9为样品AW和RGD-AW在接种MG-63细胞并分别培养4 h和5 d后的SEM照片。由SEM观察可见, 和未经处理的AW样品(图9(a))相比, RGD- AW在接种细胞4 h后有更多的细胞粘附(图9(d))。进一步观察发现, 在AW表面粘附的细胞基本上呈圆形或椭圆形, 仅有少量伪足攀附于材料(图9(b)), 显示细胞尚未完全贴附在材料上。而RGD-AW材料表面的细胞多数已经开始铺展成为多边形或梭形, 并且有大量伪足从细胞边缘伸出攀附于材料上, 细胞的边缘也紧密地贴附在材料表面, 表示细胞正处于非常活跃的状态, 已经开始在材料表面粘附并增殖(图9(e))。对培养5 d后的样品观察发现, 改性前后材料表面的细胞数量比刚接种时均有显著增加(图9(c), (f)), 细胞呈梭形或多边形, 在细胞边缘能观察到大量伪足攀附于材料表面, 但RGD-AW上生长的细胞数量要明显多于AW, 表明RGD-AW样品更加适合细胞增殖。这与荧光显微镜观察的结果一致, 即与AW相比, 在其表面接枝RGD多肽能够在细胞培养的初期阶段为细胞提供更多的粘附位点, 有利于细胞在材料表面的粘附和铺展[ 24, 25]

图8 样品AW的SEM照片Fig. 8 SEM image of AW

图9 样品AW(a、b、c)和RGD-AW(d、e、f)在接种MG-63细胞并分别培养4 h(a、b、d、e)和5d(c、f)后的SEM照片Fig. 9 SEM images of AW (a, b, c) and RGD-AW (d, e, f) after MG-63 cells seeded and cultured for 4 h (a, b, d, e) and 5 d (c, f) (b) and (e) were the related magnified parts of (a) and (d)

2.5 MTT检测结果

MTT实验结果如图10所示。从MTT实验结果可以发现随着时间的推移, 3组样品的细胞均在正常生长和增殖, 但数量上有明显的区别。在与细胞混合培养1 d时, 等离子接枝RGD改性前后的材料之间表现出了显著的差异, 细胞在AW表面的活性要弱于RGD-AW和空白对照组。说明在初始阶段, 材料的表面无法为细胞提供有效的粘附位点, 并且细胞也需要一些时间来适应陌生的环境。与之相反的是, 在RGD-AW材料上生长的细胞更加活跃, 细胞增殖数量明显增加, 说明使用等离子法在AW表面接枝RGD多肽能显著降低材料在培养前期对细胞产生的不利影响, 这也从另一方面验证了荧光显微镜和SEM分析的结论, 即RGD-AW材料在细胞培养的初期阶段能够显著促进细胞的粘附并在培养的后期促进细胞的生长。

图10 样品AW和RGD-AW分别与MG-63细胞复合培养的MTT检测结果Fig. 10 MTT assay of AW and RGD-AW cultured with MG-63 cellsHigher cell proliferation was observed in the RGD-AW group compared with AW group, * P<0.05, ** P<0.01

3 结论

利用低温等离子法在AW表面接上氨基, RGD多肽分子与材料表面的氨基发生化学键合接枝到材料表面, 成功实现在AW表面接枝多肽分子的改性。体外细胞培养实验结果表明, 经过接枝RGD多肽分子改性后的AW比未改性的材料更有利于细胞的粘附、铺展及增殖。

参考文献
[1] Wang X, Li X, Ito A, et al. Synthesis and characterization of hierarchically macroporous and mesoporous CaO-MO-SiO2-P2O5 (M=Mg, Zn, Sr) bioactive glass scaffolds. Acta Biomaterialia, 2011, 7(10): 3638-3644. [本文引用:1] [JCR: 5.093]
[2] Bagno A, Piovan A, Dettin M, et al. Human osteoblast-like cell adhesion on titanium substrates covalently functionalized with synthetic peptides. Bone, 2007, 40(3): 693-699. [本文引用:1] [JCR: 3.823]
[3] Meyers S R, Grinstaff M W. Biocompatible and bioactive surface modifications for prolonged in vivo efficacy. Chemical Reviews, 2012, 112(3): 1615-1632. [本文引用:1] [JCR: 41.298]
[4] Prestwich GD, Erickson I E, Zarembinski T I, et al. The translational imperative: making cell therapy simple and effective. Acta Biomaterialia, 2012, 8(12): 4200-4207. [本文引用:1] [JCR: 5.093]
[5] Yan C, Sun J, Ding J. Critical areas of cell adhesion on micropatterned surfaces. Biomaterials, 2011, 32(16): 3931-3938. [本文引用:1] [JCR: 7.604]
[6] Hynes R O. Integrins: bidirectional, allosteric signaling machines. Cell, 2002, 110(6): 673-687. [本文引用:1] [JCR: 31.957]
[7] Collier J H, Segura T. Evolving the use of peptides as components of biomaterials. Biomaterials, 2011, 32(18): 4198-4204. [本文引用:1] [JCR: 7.604]
[8] Williams D F. The role of short synthetic adhesion peptides in regenerative medicine; the debate. Biomaterials, 2011, 32(18): 4195-4197. [本文引用:1] [JCR: 7.604]
[9] Ruoslahti E. RGD and other recognition sequences for integrins. Annual Review of Cell and Developmental Biology, 1996, 12: 697-715. [本文引用:1] [JCR: 17.983]
[10] Dreier B, Raghunathan V K, Russell P, et al. Focal adhesion kinase knockdown modulates the response of human corneal epithelial cells to topographic cues. Acta Biomaterialia, 2012, 8(12): 4285-4294. [本文引用:1] [JCR: 5.093]
[11] Hennessy K M, Pollot B E, Clem W C, et al. The effect of collagen I mimetic peptides on mesenchymal stem cell adhesion and differentiation, and on bone formation at hydroxyapatite surfaces. Biomaterials, 2009, 30(10): 1898-1909. [本文引用:1] [JCR: 7.604]
[12] Mark K, Park J, Bauer S, et al. Nanoscale engineering of biomimetic surfaces: cues from the extracellular matrix. Cell Tissue Res. 2010, 339(1): 131-153. [本文引用:1] [JCR: 3.677]
[13] Ceylan H, Tekinay A B, Guler M O. Selective adhesion and growth of vascular endothelial cells on bioactive peptide nanofiber functionalized stainless steel surface. Biomaterials. 2011, 32(34): 8797-8805. [本文引用:1] [JCR: 7.604]
[14] Park J W, Kurashima K, Tustusmi Y, et al. Bone healing of commercial oral implants with RGD immobilization through electrodeposited poly(ethylene glycol) in rabbit cancellous bone. Acta Biomaterialia, 2011, 7(8): 3222-3229. [本文引用:1] [JCR: 5.093]
[15] Su B H, Ran J G, Chen Z Q. Study on increasing bioactivity of Hydroxy-poly-calcium sodium phosphate appatite modified by cold plasma technique. Space Medicine & Medical Engineering, 2003, 16(1): 68-71. [本文引用:1] [JCR: 0.782]
[16] Li G D, Zhou D L, Feng D G, et al. Preparation and properties of magnetic bioactive glass-ceramics doped with Mn-Zn ferrite. Journal of Inorganic Materials, 2008, 23(3): 621-625. [本文引用:1] [JCR: 0.531] [CJCR: 1.106]
[17] Xue M, Feng D G, Zhou D L, et al. Preparation of porous apatite-wollastonite bioactive glass ceramic (AW-GC) by dipping with polymer foams. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2007, 23(4): 708-712. [本文引用:1] [JCR: 0.72] [CJCR: 0.914]
[18] Chen Q Z, Thouas G A. Fabrication and characterization of Sol-Gel derived 45S5 bioglass(R)-ceramic scaffolds. Acta Biomaterialia, 2011, 7(10): 3616-3626. [本文引用:1] [JCR: 5.093]
[19] De Bartolo L, Morelli S, Lopez L C, et al. Biotransformation and liver-specific functions of human hepatocytes in culture on RGD-immobilized plasma-processed membranes. Biomaterials, 2005, 26(21): 4432-4441. [本文引用:1] [JCR: 7.604]
[20] Marelli B, Ghezzi C E, Mohn D, et al. Accelerated mineralization of dense collagen-nano bioactive glass hybrid gels increases scaffold stiffness and regulates osteoblastic function. Biomaterials, 2011, 32(34): 8915-8926. [本文引用:1] [JCR: 7.604]
[21] Goel A, Rajagopal R R, Ferreira J M. Influence of strontium on structure, sintering and biodegradation behaviour of CaO-MgO- SrO-SiO2-P2O5-CaF2 glasses. Acta Biomaterialia, 2011, 7(11): 4071-4080. [本文引用:1] [JCR: 5.093]
[22] Ji J, Bar-On B, Wagner H D. Mechanics of electrospun collagen and hydroxyapatite/collagen nanofibers. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2012, 13: 185-193. [本文引用:1] [JCR: 2.368]
[23] Shiwaku Y, Anada T, Yamazaki H, et al. Structural, morphological and surface characteristics of two types of octacalcium phosphate-derived fluoride-containing apatitic calcium phosphates. Acta Biomaterialia, 2012, 8(12): 4417-4425. [本文引用:1] [JCR: 5.093]
[24] Hall A. Rho GTPases and the actin cytoskeleton. Science, 1998, 279(23): 509-514. [本文引用:1]
[25] Yang C, Czech L, Gerboth S, et al. Novel roles of formin mDia2 in lamellipodia and filopodia formation in motile cells. PLoS Biology, 2007, 5(11): e317. [本文引用:1] [JCR: 12.69]