隨著材料學、生物學領域研究的不斷進步，集合材料學和生物學雙重特性的生物材料的重要性日益凸顯。目前生物材料在組織工程、制藥工程和再生醫學等領域應用較為廣泛。在因外傷、腫瘤侵襲、先天畸形等因素造成的骨缺損修復領域，已涌現出很多不同的生物材料，它們在表面電荷、表面潤濕性、表面成分、免疫調節等方面各自具有不同的特性，導致修復效果各具差異。本文就生物材料表面電荷對骨形成的影響，以及在生物材料表面引入電荷的方法展開論述，為生物材料表面電荷分布促進骨形成奠定理論基礎，以期今后更好地服務于臨床研究。
引用本文： 王紹泰, 宋東升, 喬春燕. 生物材料表面電荷影響骨形成作用的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2021, 38(6): 1229-1234. doi: 10.7507/1001-5515.202104022 復制
引言
由炎癥、外傷、腫瘤侵襲、先天畸形等原因造成的骨缺損，是臨床常見的問題，嚴重危害患者的身心健康。目前關于修復骨缺損的方法包括自體骨移植、異體骨移植等，但是自體骨移植會造成供區二次損傷；異體骨移植存在免疫反應的隱患。隨著材料學、生物學等相關領域技術的不斷進步，各類具有促進骨形成作用的生物材料應運而生。從生物惰性材料到生物活性可降解材料，再到如今的細胞基因激活材料，每一代新材料均致力于逐步改善材料的生物相容性、機械強度與成骨性能，最終實現骨修復。在實現骨修復的過程中，成骨細胞起著非常重要的作用，它可以分泌骨形成因子和堿性磷酸酶，繼而合成類骨質被礦化，形成骨組織。骨髓間充質干細胞（bone?marrow-derived?mesenchymal?stem?cells，BMSCs）能在多種信號通路調控下定向分化為成骨細胞，發揮促進骨形成的作用。生物材料的植入，一方面可以為成骨細胞提供支架，有利于成骨細胞生長繁殖、相互黏附、分泌細胞外基質，修復骨缺損；另一方面，生物材料表面性質會促進BMSCs向成骨細胞分化，這些表面性質包括表面電荷、表面潤濕性[1]、表面成分、免疫調節[2]、基質硬度[3-5]等。越來越多的研究結果表明，生物材料的表面電荷對促進BMSCs分化有著深遠的影響。本文將對生物材料表面電荷促進骨形成作用進行綜述，期望通過改變生物材料的表面電荷分布來促進骨形成，提高應用于體內骨支架材料的生物學性能，更好地服務于臨床。
1 表面電荷概述
表面電荷是指在材料界面處積聚的自由電荷，分為正電荷和負電荷。人的骨骼表面存在表面電荷，其電生理特性大多與外部載荷和應變相關，骨骼頂端的電荷密度往往更高[6]。改變骨組織周圍的電荷分布，可以影響骨細胞分泌細胞外基質能力。因此，大量實驗通過對骨骼修復材料表面改性，讓材料表面帶有不同種類、不同數量的電荷，不斷改善骨骼修復材料生物性能[7-8]。
根據異種電荷相互吸引的性質，包括離子、蛋白質、細胞因子、細胞黏附分子和生長因子在內的各種滲出成分被吸附在材料—生物組織界面上。這些吸附的成分誘導BMSCs向植入物遷移，最后分化為成骨細胞。其中，蛋白質的吸附水平尤為重要，成骨細胞的附著水平取決于纖連蛋白（fibronectin，FN）的吸附量[9]。正、負電荷極大影響了植入材料對FN的吸附行為[10]。此外，當電荷作用于BMSCs時，會在細胞核和細胞質之間產生電場，通過細胞膜電壓門控鈣通道刺激胞內Ca2+離子增加，進而增加電壓門控鈣通道相關基因表達，成骨基因上調并改善成骨分化[11-12]。因此，通過調節生物支架表面電荷可以增強細胞遷移、增殖和分化的能力，并改善骨誘導功能[13-15]。
2 材料表面電荷影響成骨作用
2.1 正電荷
對于帶有少量電荷的材料表面，蛋白質不會被極化，蛋白質與材料的相互作用可以通過靜電吸引的方式來預測。正常人體中大多數蛋白質的等電點都小于7，如FN等電點約為5.8、骨形態發生蛋白?2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）等電點約為4.8。帶正電的生物材料表面可以通過靜電吸引與帶負電的蛋白質形成早期黏附，改善了生物材料的生物性能[16]。有研究表明，表面不帶電荷的磷酸膽堿材料不會引起蛋白質空間構象的變化，蛋白、細胞的黏附減少，而適當增加表面正電荷可以增加包括FN在內的蛋白質以及成骨細胞對磷酸膽堿表面的黏附，并增加磷酸鈣的沉積[17]。因此，一些材料生物活性的增加就源于帶負電荷的生物分子與帶正電荷的材料表面產生靜電相互作用。常用的帶正電表面修飾物有殼聚糖，即一種甲殼素脫乙酰的多糖，作為骨傳導生物聚合物[18]，它可以加載在支架涂層上或組裝在納米顆粒表面[19]。殼聚糖的正電荷特性不僅增加其溶解性、生物降解性和生物相容性，還直接促進殼聚糖在支架上的黏附、止血和抗菌性能[20]。因此可以說，少量帶正電荷的殼聚糖能夠為骨形成創造良好的微環境。
2.2 負電荷
與帶有少量電荷的材料不同，攜帶大量電荷的材料表面可使帶電蛋白質極化，極化的蛋白質能吸附于具有同種電荷的材料表面。有研究表明，在帶有少量負電荷的材料表面，FN吸附量隨材料表面負電荷增多而減少，但隨著材料表面負電荷進一步增加，FN會被極化，越來越多的FN沉積在材料表面[21]。帶電材料表面也能改變蛋白質的空間構象，包括層粘連蛋白在內的蛋白質可以借助氨基或羧基與生物材料相結合[22]，進而調節BMSCs在材料表面的成骨分化能力。同時，帶負電荷的表面還會改變細胞骨架結構，使應力纖維排列整齊，增強細胞黏附能力，借助一定手段可在材料表面觀察到細胞局灶性黏附[23]。
除了改變蛋白質或細胞的結構和功能，帶負電材料表面自身的理化性質也對成骨作用產生影響。修飾在材料表面的負電荷多肽提供的羧基就可以成為磷灰石沉積的成核位點[24]，有學者設計出可注射致密膠原（injectable dense collagen，I-DC）凝膠支架，將富含天門冬氨酸、谷氨酸等陰離子氨基酸的帶負電蛋白引入I-DC凝膠中，帶電蛋白提供的羧基作為鈣—磷酸鹽的成核位點，進而誘導磷灰石沉積，刺激BMSCs成骨分化[25]。帶負電的硫酸鹽離子能結合磷酸鹽和鈣離子，也能形成有利于成骨的微環境。因此有學者配置含不同硫酸軟骨素濃度（0%、1%、5%和10%）的甲基丙烯酸化聚乙二醇/硫酸軟骨素水凝膠，并移植入臨界尺寸的顱骨缺損模型中，結果發現表面帶負電的10%硫酸軟骨素水凝膠誘導的骨質密度最高[26]，證實了帶負電材料表面本身的理化性質對成骨作用的影響。
2.3 不同種類電荷比較
由于帶電表面能結合體內大部分蛋白質并加速細胞的黏附，許多實驗分別比較正、負電荷對骨形成的影響[27]。有學者分別用未改性的低聚乙二醇富馬酸{oligo[(polyethylene glycol) fumarate]，OPF}和改性的甲基丙烯酸鈉（sodium methacrylate，SMA）交聯的OPF、[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]三甲基氯化銨{[2-(methacryloyloxy) ethyl] trimethylammonium chloride，MAETAC}交聯的OPF，制備了中性、帶負電和帶正電的水凝膠支架，發現與中性或帶正電支架相比，表面帶負電的支架成骨染色不僅強度更高，而且糖胺聚糖含量也高，可加強BMP-2誘導的骨形成[28-29]。除了應用表面改性的方式引入不同電荷比較成骨能力，在同種材料（如聚四氟乙烯）施加電極化處理后，同樣發現骨質在負極首先形成，而后不斷向正極生長。上述實驗材料表面形成的負電荷均為較低密度，若材料表面引入過高密度的電荷則對骨形成作用沒有顯著影響，甚至會造成細胞代謝功能紊亂[30]。因此在材料表面引入較低密度的負電荷比引入正電荷更有利于成骨作用。
3 引入表面電荷的方法
3.1 光照處理
光照可以誘導材料表面電荷積累進而改變細胞周圍的電荷分布。有研究證實，在紅光照射下，材料表面電荷分布發生變化，BMSCs骨再生效率得以提高，4周后骨缺損恢復率為91%，而對照組在無紅光條件下骨缺損恢復率僅為36%，這是由于光誘導產生的電荷提高胞質Ca2+的積累并促進核苷酸的合成，從而增強BMSCs的增殖分化能力[31]。光照不僅能影響細胞內部結構，同時也能改變細胞外基質電荷分布來影響骨形成作用[32]。
3.2 電極化處理
電極化處理是指在材料上施加電場使正負電荷發生相對位移，從而獲得表面電位，表面電位隨著電場強度的增加可明顯提高。有學者在生物材料薄膜上施加不同強度的電場，引入表面電荷，通過調控FN的構象來有效地控制FN與整合素的結合狀態[33]，進而調節細胞成骨分化能力。除了在材料上施加電場影響骨形成作用，也可以通過施加電磁場影響超順磁納米粒子來調節BMSCs的成骨分化，施加電磁場后，減緩細胞內攝取的帶負電荷顆粒的釋放，大量粒子留在細胞內顯著增強了BMSCs的成骨分化能力[34-35]。
3.3 電流刺激
在生物材料上施加電流刺激（electrical stimulation，ES）可以調節表面電荷分布，影響細胞的跨膜電位，改善細胞功能和代謝，促進成骨分化[36-39]。有研究利用聚吡咯（polypyrrole，PPY）包覆在靜電紡絲聚乳酸[poly(L-lactide)，PLLA]纖維上制備導電纖維。當施加ES時不僅促進蛋白質的吸附和礦物沉積，還增強BMSCs成骨分化能力，而不導電的PLLA纖維并沒有這種促骨形成的能力[40]。對于本身就具有促成骨分化作用的石墨烯—纖維素支架，通過ES能進一步增強BMSCs增殖、礦物沉積能力以及骨誘導能力[41]。
3.4 表面改性處理
表面改性處理，即將離子、官能團、氨基酸[42]等直接修飾在材料表面，或者通過改變材料組成成分的比例來調節生物材料表面電荷分布[43]，增強蛋白質的吸附和BMSCs的黏附、分化能力。有學者使用氫氧化鈉或氫氧化鉀進行熱處理，使牙種植體表面形成氫氧化鈦，通過表面改性的方法調節牙種植體表面電荷，極大增強了BMSCs的黏附及成骨分化能力[44]。
4 表面電荷與其他影響骨形成因素的關系
影響骨形成的材料表面性質有很多，在改變材料表面電荷的同時，還有可能改變材料表面潤濕性、材料表面成分、免疫調節，這些均能影響骨形成作用。
4.1 表面潤濕性
材料表面潤濕性是影響細胞功能的一個重要因素，BMSCs更適合在中度潤濕性表面黏附、增殖和成骨分化。有研究表明，與攜帶氨基的材料表面相比，修飾羥基、羧基等基團的材料表面黏附細胞較少，且BMSCs增殖和成骨分化能力弱，這是因為氨基的引入改善了材料的表面潤濕性[45]。同樣，在明膠表面用兒茶素改性既能改變材料表面電位，又能使表面轉變為親水性，改善材料表面成骨能力[46]。除了引入基團等改變材料表面潤濕性的方法，如果用電極化或等離子體處理的方式來引入表面電荷也能增加支架表面的親水性，進而有利于促進骨形成[10,47]。
4.2 材料表面成分
為了使BMSCs更好地黏附、增殖、成骨分化，可以在生物材料表面修飾生物活性物質如多糖[48-49]、脂類、氨基酸[50-51]等，或者加入其他有利于骨形成的元素，如鋰[52]、鍶[53-54]、鎵[55]、鎂[56]、鋅[57]等。當引入官能團、生物活性物質、金屬元素等表面修飾成分時，除了表面修飾成分本身對骨形成的作用之外，還可改變材料表面電荷的數量與分布，因此表面修飾對成骨的影響作用也不容忽視[58]。有學者將四種帶不同表面電荷的多肽引入水凝膠表面，結果帶有過多表面負電荷的水凝膠對FN吸附減少，而四種多肽不同的空間構象也同時改變蛋白、離子的吸附，進一步影響成骨作用[22]。另有研究表明，材料表面引入攜帶不同電荷的鐵離子和鍶離子，在電荷與離子釋放協同作用下，BMSCs分化程度也各不相同[59]。
4.3 免疫調節
基于骨支架良好的骨引導性和骨誘導性，骨支架廣泛應用于骨再生研究領域。骨支架促進骨再生的作用機制除了骨誘導活性外，還和宿主免疫反應密切相關，主要涉及巨噬細胞極性的轉變[60]。巨噬細胞主要分為M1表型和M2表型，M2表型的巨噬細胞屬于抑炎因子，可以促進成骨分化；而M1表型的巨噬細胞屬于促炎因子，會激活破骨細胞骨吸收[61-62]。巨噬細胞能夠根據從生物材料表面接收到的信號來改變自身表型[63-65]。材料表面電荷通過改變局部電場強度，還可以調節巨噬細胞的遷移和細胞因子的產生[66]。有學者制備出納米復合膜，以適量的表面電荷促使巨噬細胞表型從促炎M1表型轉變為抑炎M2表型，誘導產生骨免疫調節作用，促進了BMSCs的成骨分化[67]。體外和體內實驗結果也表明，帶適量正電荷的材料表面影響一氧化氮合酶的表達，調節新骨生長，然而過高的表面電位對BMSCs產生炎癥刺激，導致局部骨丟失[68]。
5 總結與展望
成骨效果是多種因素共同作用的結果。近年來大量的研究聚焦于單一材料表面性質對成骨效果的影響。本文從材料的表面電荷對骨形成的影響作用出發，探討了不同種類表面電荷對成骨作用的影響及在材料表面引入電荷的方法，最后探究了材料表面電荷和其他材料表面性質的關系及對成骨作用的影響。
隨著對骨形成生物材料表面電荷的研究不斷深入，骨缺損修復材料生物性能也會隨之不斷改善。在臨床應用中，利用生物材料表面電荷調控藥物釋放速率，有望實現對骨缺損患者實現個性化藥物治療。通過調節體內支架材料的表面電荷分布，也能更好地促進細胞的黏附及分泌細胞外基質的能力。未來會有大量的實驗不斷探究各種表面改性的方法，以期應用在體內的生物材料更好地促進骨形成，減少炎癥發生及血栓形成，更好地服務于臨床。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
由炎癥、外傷、腫瘤侵襲、先天畸形等原因造成的骨缺損，是臨床常見的問題，嚴重危害患者的身心健康。目前關于修復骨缺損的方法包括自體骨移植、異體骨移植等，但是自體骨移植會造成供區二次損傷；異體骨移植存在免疫反應的隱患。隨著材料學、生物學等相關領域技術的不斷進步，各類具有促進骨形成作用的生物材料應運而生。從生物惰性材料到生物活性可降解材料，再到如今的細胞基因激活材料，每一代新材料均致力于逐步改善材料的生物相容性、機械強度與成骨性能，最終實現骨修復。在實現骨修復的過程中，成骨細胞起著非常重要的作用，它可以分泌骨形成因子和堿性磷酸酶，繼而合成類骨質被礦化，形成骨組織。骨髓間充質干細胞（bone?marrow-derived?mesenchymal?stem?cells，BMSCs）能在多種信號通路調控下定向分化為成骨細胞，發揮促進骨形成的作用。生物材料的植入，一方面可以為成骨細胞提供支架，有利于成骨細胞生長繁殖、相互黏附、分泌細胞外基質，修復骨缺損；另一方面，生物材料表面性質會促進BMSCs向成骨細胞分化，這些表面性質包括表面電荷、表面潤濕性[1]、表面成分、免疫調節[2]、基質硬度[3-5]等。越來越多的研究結果表明，生物材料的表面電荷對促進BMSCs分化有著深遠的影響。本文將對生物材料表面電荷促進骨形成作用進行綜述，期望通過改變生物材料的表面電荷分布來促進骨形成，提高應用于體內骨支架材料的生物學性能，更好地服務于臨床。
1 表面電荷概述
表面電荷是指在材料界面處積聚的自由電荷，分為正電荷和負電荷。人的骨骼表面存在表面電荷，其電生理特性大多與外部載荷和應變相關，骨骼頂端的電荷密度往往更高[6]。改變骨組織周圍的電荷分布，可以影響骨細胞分泌細胞外基質能力。因此，大量實驗通過對骨骼修復材料表面改性，讓材料表面帶有不同種類、不同數量的電荷，不斷改善骨骼修復材料生物性能[7-8]。
根據異種電荷相互吸引的性質，包括離子、蛋白質、細胞因子、細胞黏附分子和生長因子在內的各種滲出成分被吸附在材料—生物組織界面上。這些吸附的成分誘導BMSCs向植入物遷移，最后分化為成骨細胞。其中，蛋白質的吸附水平尤為重要，成骨細胞的附著水平取決于纖連蛋白（fibronectin，FN）的吸附量[9]。正、負電荷極大影響了植入材料對FN的吸附行為[10]。此外，當電荷作用于BMSCs時，會在細胞核和細胞質之間產生電場，通過細胞膜電壓門控鈣通道刺激胞內Ca2+離子增加，進而增加電壓門控鈣通道相關基因表達，成骨基因上調并改善成骨分化[11-12]。因此，通過調節生物支架表面電荷可以增強細胞遷移、增殖和分化的能力，并改善骨誘導功能[13-15]。
2 材料表面電荷影響成骨作用
2.1 正電荷
對于帶有少量電荷的材料表面，蛋白質不會被極化，蛋白質與材料的相互作用可以通過靜電吸引的方式來預測。正常人體中大多數蛋白質的等電點都小于7，如FN等電點約為5.8、骨形態發生蛋白?2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）等電點約為4.8。帶正電的生物材料表面可以通過靜電吸引與帶負電的蛋白質形成早期黏附，改善了生物材料的生物性能[16]。有研究表明，表面不帶電荷的磷酸膽堿材料不會引起蛋白質空間構象的變化，蛋白、細胞的黏附減少，而適當增加表面正電荷可以增加包括FN在內的蛋白質以及成骨細胞對磷酸膽堿表面的黏附，并增加磷酸鈣的沉積[17]。因此，一些材料生物活性的增加就源于帶負電荷的生物分子與帶正電荷的材料表面產生靜電相互作用。常用的帶正電表面修飾物有殼聚糖，即一種甲殼素脫乙酰的多糖，作為骨傳導生物聚合物[18]，它可以加載在支架涂層上或組裝在納米顆粒表面[19]。殼聚糖的正電荷特性不僅增加其溶解性、生物降解性和生物相容性，還直接促進殼聚糖在支架上的黏附、止血和抗菌性能[20]。因此可以說，少量帶正電荷的殼聚糖能夠為骨形成創造良好的微環境。
2.2 負電荷
與帶有少量電荷的材料不同，攜帶大量電荷的材料表面可使帶電蛋白質極化，極化的蛋白質能吸附于具有同種電荷的材料表面。有研究表明，在帶有少量負電荷的材料表面，FN吸附量隨材料表面負電荷增多而減少，但隨著材料表面負電荷進一步增加，FN會被極化，越來越多的FN沉積在材料表面[21]。帶電材料表面也能改變蛋白質的空間構象，包括層粘連蛋白在內的蛋白質可以借助氨基或羧基與生物材料相結合[22]，進而調節BMSCs在材料表面的成骨分化能力。同時，帶負電荷的表面還會改變細胞骨架結構，使應力纖維排列整齊，增強細胞黏附能力，借助一定手段可在材料表面觀察到細胞局灶性黏附[23]。
除了改變蛋白質或細胞的結構和功能，帶負電材料表面自身的理化性質也對成骨作用產生影響。修飾在材料表面的負電荷多肽提供的羧基就可以成為磷灰石沉積的成核位點[24]，有學者設計出可注射致密膠原（injectable dense collagen，I-DC）凝膠支架，將富含天門冬氨酸、谷氨酸等陰離子氨基酸的帶負電蛋白引入I-DC凝膠中，帶電蛋白提供的羧基作為鈣—磷酸鹽的成核位點，進而誘導磷灰石沉積，刺激BMSCs成骨分化[25]。帶負電的硫酸鹽離子能結合磷酸鹽和鈣離子，也能形成有利于成骨的微環境。因此有學者配置含不同硫酸軟骨素濃度（0%、1%、5%和10%）的甲基丙烯酸化聚乙二醇/硫酸軟骨素水凝膠，并移植入臨界尺寸的顱骨缺損模型中，結果發現表面帶負電的10%硫酸軟骨素水凝膠誘導的骨質密度最高[26]，證實了帶負電材料表面本身的理化性質對成骨作用的影響。
2.3 不同種類電荷比較
由于帶電表面能結合體內大部分蛋白質并加速細胞的黏附，許多實驗分別比較正、負電荷對骨形成的影響[27]。有學者分別用未改性的低聚乙二醇富馬酸{oligo[(polyethylene glycol) fumarate]，OPF}和改性的甲基丙烯酸鈉（sodium methacrylate，SMA）交聯的OPF、[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]三甲基氯化銨{[2-(methacryloyloxy) ethyl] trimethylammonium chloride，MAETAC}交聯的OPF，制備了中性、帶負電和帶正電的水凝膠支架，發現與中性或帶正電支架相比，表面帶負電的支架成骨染色不僅強度更高，而且糖胺聚糖含量也高，可加強BMP-2誘導的骨形成[28-29]。除了應用表面改性的方式引入不同電荷比較成骨能力，在同種材料（如聚四氟乙烯）施加電極化處理后，同樣發現骨質在負極首先形成，而后不斷向正極生長。上述實驗材料表面形成的負電荷均為較低密度，若材料表面引入過高密度的電荷則對骨形成作用沒有顯著影響，甚至會造成細胞代謝功能紊亂[30]。因此在材料表面引入較低密度的負電荷比引入正電荷更有利于成骨作用。
3 引入表面電荷的方法
3.1 光照處理
光照可以誘導材料表面電荷積累進而改變細胞周圍的電荷分布。有研究證實，在紅光照射下，材料表面電荷分布發生變化，BMSCs骨再生效率得以提高，4周后骨缺損恢復率為91%，而對照組在無紅光條件下骨缺損恢復率僅為36%，這是由于光誘導產生的電荷提高胞質Ca2+的積累并促進核苷酸的合成，從而增強BMSCs的增殖分化能力[31]。光照不僅能影響細胞內部結構，同時也能改變細胞外基質電荷分布來影響骨形成作用[32]。
3.2 電極化處理
電極化處理是指在材料上施加電場使正負電荷發生相對位移，從而獲得表面電位，表面電位隨著電場強度的增加可明顯提高。有學者在生物材料薄膜上施加不同強度的電場，引入表面電荷，通過調控FN的構象來有效地控制FN與整合素的結合狀態[33]，進而調節細胞成骨分化能力。除了在材料上施加電場影響骨形成作用，也可以通過施加電磁場影響超順磁納米粒子來調節BMSCs的成骨分化，施加電磁場后，減緩細胞內攝取的帶負電荷顆粒的釋放，大量粒子留在細胞內顯著增強了BMSCs的成骨分化能力[34-35]。
3.3 電流刺激
在生物材料上施加電流刺激（electrical stimulation，ES）可以調節表面電荷分布，影響細胞的跨膜電位，改善細胞功能和代謝，促進成骨分化[36-39]。有研究利用聚吡咯（polypyrrole，PPY）包覆在靜電紡絲聚乳酸[poly(L-lactide)，PLLA]纖維上制備導電纖維。當施加ES時不僅促進蛋白質的吸附和礦物沉積，還增強BMSCs成骨分化能力，而不導電的PLLA纖維并沒有這種促骨形成的能力[40]。對于本身就具有促成骨分化作用的石墨烯—纖維素支架，通過ES能進一步增強BMSCs增殖、礦物沉積能力以及骨誘導能力[41]。
3.4 表面改性處理
表面改性處理，即將離子、官能團、氨基酸[42]等直接修飾在材料表面，或者通過改變材料組成成分的比例來調節生物材料表面電荷分布[43]，增強蛋白質的吸附和BMSCs的黏附、分化能力。有學者使用氫氧化鈉或氫氧化鉀進行熱處理，使牙種植體表面形成氫氧化鈦，通過表面改性的方法調節牙種植體表面電荷，極大增強了BMSCs的黏附及成骨分化能力[44]。
4 表面電荷與其他影響骨形成因素的關系
影響骨形成的材料表面性質有很多，在改變材料表面電荷的同時，還有可能改變材料表面潤濕性、材料表面成分、免疫調節，這些均能影響骨形成作用。
4.1 表面潤濕性
材料表面潤濕性是影響細胞功能的一個重要因素，BMSCs更適合在中度潤濕性表面黏附、增殖和成骨分化。有研究表明，與攜帶氨基的材料表面相比，修飾羥基、羧基等基團的材料表面黏附細胞較少，且BMSCs增殖和成骨分化能力弱，這是因為氨基的引入改善了材料的表面潤濕性[45]。同樣，在明膠表面用兒茶素改性既能改變材料表面電位，又能使表面轉變為親水性，改善材料表面成骨能力[46]。除了引入基團等改變材料表面潤濕性的方法，如果用電極化或等離子體處理的方式來引入表面電荷也能增加支架表面的親水性，進而有利于促進骨形成[10,47]。
4.2 材料表面成分
為了使BMSCs更好地黏附、增殖、成骨分化，可以在生物材料表面修飾生物活性物質如多糖[48-49]、脂類、氨基酸[50-51]等，或者加入其他有利于骨形成的元素，如鋰[52]、鍶[53-54]、鎵[55]、鎂[56]、鋅[57]等。當引入官能團、生物活性物質、金屬元素等表面修飾成分時，除了表面修飾成分本身對骨形成的作用之外，還可改變材料表面電荷的數量與分布，因此表面修飾對成骨的影響作用也不容忽視[58]。有學者將四種帶不同表面電荷的多肽引入水凝膠表面，結果帶有過多表面負電荷的水凝膠對FN吸附減少，而四種多肽不同的空間構象也同時改變蛋白、離子的吸附，進一步影響成骨作用[22]。另有研究表明，材料表面引入攜帶不同電荷的鐵離子和鍶離子，在電荷與離子釋放協同作用下，BMSCs分化程度也各不相同[59]。
4.3 免疫調節
基于骨支架良好的骨引導性和骨誘導性，骨支架廣泛應用于骨再生研究領域。骨支架促進骨再生的作用機制除了骨誘導活性外，還和宿主免疫反應密切相關，主要涉及巨噬細胞極性的轉變[60]。巨噬細胞主要分為M1表型和M2表型，M2表型的巨噬細胞屬于抑炎因子，可以促進成骨分化；而M1表型的巨噬細胞屬于促炎因子，會激活破骨細胞骨吸收[61-62]。巨噬細胞能夠根據從生物材料表面接收到的信號來改變自身表型[63-65]。材料表面電荷通過改變局部電場強度，還可以調節巨噬細胞的遷移和細胞因子的產生[66]。有學者制備出納米復合膜，以適量的表面電荷促使巨噬細胞表型從促炎M1表型轉變為抑炎M2表型，誘導產生骨免疫調節作用，促進了BMSCs的成骨分化[67]。體外和體內實驗結果也表明，帶適量正電荷的材料表面影響一氧化氮合酶的表達，調節新骨生長，然而過高的表面電位對BMSCs產生炎癥刺激，導致局部骨丟失[68]。
5 總結與展望
成骨效果是多種因素共同作用的結果。近年來大量的研究聚焦于單一材料表面性質對成骨效果的影響。本文從材料的表面電荷對骨形成的影響作用出發，探討了不同種類表面電荷對成骨作用的影響及在材料表面引入電荷的方法，最后探究了材料表面電荷和其他材料表面性質的關系及對成骨作用的影響。
隨著對骨形成生物材料表面電荷的研究不斷深入，骨缺損修復材料生物性能也會隨之不斷改善。在臨床應用中，利用生物材料表面電荷調控藥物釋放速率，有望實現對骨缺損患者實現個性化藥物治療。通過調節體內支架材料的表面電荷分布，也能更好地促進細胞的黏附及分泌細胞外基質的能力。未來會有大量的實驗不斷探究各種表面改性的方法，以期應用在體內的生物材料更好地促進骨形成，減少炎癥發生及血栓形成，更好地服務于臨床。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。