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目的:由于生物材料科学的迅速发展,安全的植入物被认为是治疗各种骨骼缺损、牙齿缺失、关节病变等器官组织损伤和病变最可靠的方法。然而由于植入物的日常的使用,植体表面材料颗粒脱落会导致周围骨质的溶解,致使植入物松动和失败。大量的实验研究致力于研究脱落颗粒引起骨质溶解的潜在机制,但是其具体的机制至今仍无定论。所以为了寻求更加完善的生物植入物性能,关于生物复合材料的研究越来越多。然而,对于不同物质材料颗粒之间的生物相互作用的研究甚少。所以在本实验中运用体外实验和小鼠颅骨骨质溶解模型构建动物实验,探讨氧化钛颗粒诱导骨质溶解的潜在机制,同时研究氧化钛颗粒和氧化铝颗粒之间的生物相互作用。方法:将氧化钛颗粒暴露于人MG-63细胞(人骨肉瘤细胞株,上海和元生物技术有限公司购买)中,以模拟氧化钛脱落颗粒诱导骨质溶解和炎症的过程。设置不同氧化钛颗粒的浓度梯度,进行细胞增殖检测和流式细胞仪凋亡检测实验进行增殖和凋亡检测,然后从中选取合适的颗粒刺激浓度。将细胞实验分为5组,对照组、氧化钛颗粒刺激组、氧化铝颗粒刺激组、氧化钛加氧化铝颗粒共同刺激组、氧化钛加氧化铝混合颗粒加药硼替佐米(Bortezomib,BTZ)组。运用Western blot在蛋白水平上检测NF-κB相关信号分子IκBα、p-IκBα、p65、自噬标志物LC3、炎症因子IL-6的表达,运用实时定量荧光PCR在mRNA水平上检测炎症因子IL-6、TNF-α、IL-1、细胞凋亡基因casepase-3的表达水平。运用细胞免疫荧光检查自噬标志物LC3的表达情况。为了进一步验证之前的实验结果,运用25只6-8周单雄C57BL/6J小鼠构建小鼠颅骨骨质溶解模型。同样分为5组,对照组、氧化钛颗粒刺激组、氧化铝颗粒刺激组、氧化钛加氧化铝颗粒共同刺激组、氧化钛加氧化铝混合颗粒加药组。小鼠培养2周后处死,固定小鼠头颅骨后随即行Micro-CT扫描和分析,脱钙后行苏木精-伊红(Hematoxylin and eosin,HE)染色,用IL-1、IL-6、TNF-α、RANKL、casepase-3和骨保护素(osteoprotegerin,OPG)的相关抗体进行免疫组化染色。结果:1、氧化钛颗粒诱导MG-63细胞的凋亡和坏死,颗粒浓度越高,凋亡和坏死效果越明显,氧化铝没有明显的促细胞凋亡作用,可有效缓解氧化钛颗粒诱导的成骨细胞凋亡。为了进一步探究氧化钛颗粒诱导骨溶解的潜在作用机制和氧化铝颗粒对氧化钛颗粒的生物学影响,并且尽量规避高剂量致死浓度的影响,在后续的体外实验中使用低材料浓度为:10μg/mL氧化钛颗粒,10μg/mL氧化铝颗粒。等质量氧化钛与氧化铝共同刺激浓度选择5μg/mL氧化钛颗粒+5μg/mL氧化铝颗粒。2、BTZ作为一种可逆的蛋白酶体抑制剂,被认为是NF-κB信号通路的潜在抑制剂,BTZ浓度高于10nM的浓度明显抑制细胞增殖(P<0.05)。浓度达到5nM及其以上浓度时,细胞凋亡与坏死率升高。基于上述结果和以往的前期实验结果,无细胞毒性浓度(BTZ 0.5nM)用于后续实验。3、不论是蛋白水平还是RNA水平,氧化钛颗粒刺激MG-63细胞,IκBα表达较低,p-IκBα/IκBα表达增强,NF-κB激活,释放下游大量炎症因子,促进MG-63细胞凋亡。同时,BTZ和氧化铝颗粒阻止NF-κB信号传导途径的激活、减少下游炎症因子(IL-1、TNF-α)释放、凋亡因子casepase-3的释放。4、小鼠颅骨溶骨模型中,氧化钛颗粒组较假手术组骨体积分数(Bone Volume/Total Volume,BV/TV)显著减小(P<0.05),明显诱导了小鼠颅骨的骨质溶解和破坏,在溶解区域的炎症介质染色明显高于假手术组。氧化铝和BTZ能够明显减轻氧化钛颗粒引起的颅骨破坏与溶解,减轻炎症反应。结论:氧化铝颗粒通过诱导自噬和抑制NF-κB信号通路,减少氧化钛颗粒诱导的细胞凋亡、炎症和骨溶解,为生物医学植入物的设计提供基础数据。同时,BTZ作为一种蛋白酶体抑制剂,通过调节NF-κB信号通路的活性,可能是治疗磨损颗粒诱导炎症和骨质溶解的一种潜在治疗制剂。