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生物玻璃与细胞的相互作用

发布时间:2016/5/27

生物玻璃植入体内后自身表面、表面的吸附物和周围环境的变化都对细胞响应产生较大 影响。细胞在生物活性玻璃表面快速增殖与分化是两种机制协同作用的结果:生物玻璃溶解 导致局部硅离子浓度升高,从而促进成骨细胞新陈代谢的细胞内部响应;各种生长因子吸附 于生物玻璃表面,激活细胞外部响应,生物玻璃溶解形成表面带负电荷的Si—OH,与不同 种类的蛋白质通过氢键和离子胺键(一Si—O—+H3H-)结合形成高密度的蛋白吸附,硅 溶胶层和在其表面形成的HCA层具有高表面积,适合吸附大量的生物分子从而促进细胞外 响应。相比于带较低负电荷量的硅溶胶层,HCA层表面能吸附更多的生物分子。不同组成 和结构的生物玻璃能作为细胞增殖、分化和组织长入的基体,优于其他生物材料(如羟基磷 灰石烧结陶瓷、Ti合金等),并且几乎所有的研究都表明,生物玻璃经预处理形成结晶磷灰 石层后效果较好。

除表面的组成外,生物玻璃表面反应引起的离子浓度和pH的变化、表面电荷、表面粗 糙度、颗粒大小、孔径、孔隙率和孔的连通度均能影响成骨细胞活性。生物玻璃表面所结合 的离子能改变所结合蛋白的取向,进而影响细胞与蛋白的结合,对于不同溶解度的p2o5- Ca0-Na20系统玻璃,成骨细胞在溶解度最低的玻璃浸出液中因Ca2+浓度最高表现出最高的成骨表型,而溶解度最高的玻璃因释放出过多的Na+导致pH升高而降低细胞的成骨表 型。45S5玻璃颗粒溶解将提高细胞内外的碱性和Ca、Si离子浓度,当离子浓度达到临界 值时,成骨细胞和矿化的细胞间质能自组装生成骨结节,并激活一系列与成骨细胞新陈 代谢和骨的自体调节有关的基因,这些基因能调控成骨细胞生长周期的细胞活性。AW-GC的溶解使Ca2+浓度升高从而增强转化生长因子ß1:的基因表达,提高成骨细胞活性并 促进其分化。

另外,多孔材料有利于细胞的黏附、增殖和类骨细胞间质的形成,尤其是孔径为200〜 400μm的孔,因为其曲率能向成骨细胞机械刺激受体提供合适的张力和压力,具有更好的 效果。粗糙度和表面润湿性的提高有利于细胞的黏附,植人骨缺损部位颗粒的合适尺寸为 200〜500μm,其堆积形成的孔隙有利于间叶细胞的黏附和分化,更小的颗粒易为巨噬细胞所吞噬。

对于细胞和生物玻璃之间的反应,各种蛋白和生长因子等生物分子起重要的调节作用。 生物玻璃对于成骨细胞活性的影响是通过对生物分子的作用实现的,如表面电荷影响蛋白的 黏附和电势,进而影响细胞功能;间叶细胞通过纤维粘接蛋白同细胞间质的胶原结合;在形 成结晶HCA层并吸附血清蛋白的45S5表面所生长的细胞同只有HCA层或只吸附血清蛋白 的45S5相比,具有更高的碱性磷酸酶活性,虽然两者吸附的血清蛋白量无显著差异,但 45S5表面的结晶HCA层所吸附的血清蛋白分子量更高,属于转移生长因子家族的BMP (骨形态蛋白)能诱导间叶干细胞和骨原细胞向成骨细胞分化,BMP吸附到生物玻璃表面的富Ca、P层上或将BMP复合到干溶胶中均能使其生物活性显著提高。

总之,体内植入和体外细胞培养时,血清蛋白的吸附、Si溶胶层的形成以及富Ca、Si、 P无定形层的形成,生物分子如纤维粘接蛋白的选择性黏附,溶液和细胞调节的结晶磷灰石 层形成,细胞的增殖、分化和细胞间质的形成等是同时或交叉进行的。因此,磷灰石层形成 的反应不是单独进行的,而是伴随着生物分子和周围细胞吸附等一系列的反应。另外,吸附 的细胞同材料反应会引起材料的一些变化;相反,表面和溶液的变化也会对细胞活性、有机质沉积和矿化产生影响。

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