Modification of calcium phosphate bioceramics with biologically active metal ions for a specific control of cellular reactions

用生物活性金属离子对磷酸钙生物陶瓷进行改性,以特异性控制细胞反应

基本信息

项目摘要

The aim of the research project is the modification of calcium phosphate ceramics with different metal ions (Co2+, Cu2+, Ni2+ etc.) for the stimulation of biological processes, e.g. the angiogenesis as a precondition for bony ingrowth of implants and the osteoclast activity for promoted in vivo resorption of the materials. Applied porous ceramic materials are made from calcium deficient hydroxyapatite respectively calcium hydrogen phosphate (brushite), which are obtained from cement setting reactions of alpha- or beta-tricalcium phosphate in aqueous solution respectively diluted phosphoric acid. The fabrication of model structures occurs either by manufacturing of the materials as cement paste in silicone moulds for simple geome-tries with relatively low porosities (for experiments with osteoclasts) or by 3D powder printing for the production of complexly shaped macroporous structures for studying the angiogene-sis in defined pore systems. The loading of the ceramics with metal ions is carried out by either addition of the respective salts during sintering as well as by subsequent adsorption from aqueous solutions to set cements. In vitro investigations of material resorption are per-formed with osteoclasts, obtained from human monocytes by addition of the differentiation factors MCSF and RANK-L, of which the differentiation is quantitatively evaluated via the activity of the osteoclast-specific enzymes TRAP (tartrate-resistant acid phosphatase) and carbonic anhydrase II. The angiogenic potency of cements modified with metal ions is exam-ined by means of human endothelial cells cultivated in collagen/fibrin gels, whereby their ad-hesion, proliferation and formation of tubular structures are studied by fluorescence micros-copy. To obtain a better understanding of the effects of metal ions on endothelial cells respectively the angiogenesis, additional examinations of the expression of different genes and proteins involved in the angiogenic process will be carried out. Finally, the osteoclastic re-sorption and vascularization of the materials will be evaluated in vivo in a small animal model, whereby the resorption studies occur orthotopically in rat tibia, while the angiogenesis is quantified in subcutaneous tissue of rats.
该研究项目的目的是用不同的金属离子(Co2+、Cu2+、Ni2+ 等)对磷酸钙陶瓷进行改性,以刺激生物过程,例如血管生成是植入物骨向内生长的先决条件,破骨细胞活性是促进材料体内吸收的。所应用的多孔陶瓷材料由缺钙羟基磷灰石或磷酸氢钙(透钙磷石)制成,它们是通过α-或β-磷酸三钙在水溶液或稀磷酸中的水泥凝固反应而获得的。模型结构的制造可以通过在硅胶模具中将材料制造为水泥浆来实现孔隙率相对较低的简单几何形状(用于破骨细胞实验),也可以通过 3D 粉末打印来生产形状复杂的大孔结构,以研究定义的孔隙系统中的血管生成。通过在烧结过程中添加相应的盐以及随后从水溶液中吸附以凝固水泥来进行陶瓷的金属离子负载。使用从人单核细胞中添加分化因子 MCSF 和 RANK-L 获得的破骨细胞进行材料吸收的体外研究,通过破骨细胞特异性酶 TRAP(抗酒石酸酸性磷酸酶)和碳酸酐酶 II 的活性定量评估破骨细胞的分化情况。通过在胶原/纤维蛋白凝胶中培养的人内皮细胞来检查金属离子改性的水泥的血管生成效力,从而通过荧光显微镜研究它们的粘附、增殖和管状结构的形成。为了更好地了解金属离子对内皮细胞和血管生成的影响,将对参与血管生成过程的不同基因和蛋白质的表达进行额外的检查。最后,将在小动物模型中对材料的破骨细胞再吸收和血管化进行体内评估,其中再吸收研究在大鼠胫骨中原位进行,而血管生成在大鼠皮下组织中进行量化。

项目成果

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Chemical characterization of hydroxyapatite obtained by wet chemistry in the presence of V, Co, and Cu ions.
在 V、Co 和 Cu 离子存在下通过湿化学法获得的羟基磷灰石的化学表征
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知道了