用于再生医学的低温合成钡离子掺杂二水磷酸氢钙的生物相容性研究

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

论证。钙磷化合物（calcium phosphate compounds, CPC）合成材料在现代再生医学中日益广泛应用于刺激骨组织再生。该类材料的优势包括无原发免疫原性、良好的成骨传导性以及一定的成骨诱导潜力。近年来，向钙磷陶瓷中引入生物活性离子被认为是调控CPC性能的最具前景策略之一。这一方法有助于实现CPC的可控降解，改善其生物力学特性，并增强生物活性，从而实现材料在不同损伤类型、疾病状态或患者年龄群体中的精准应用。

目的：在正常条件及脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）诱导的炎症条件下，评价钡离子掺杂的低温合成二水磷酸氢钙粉体与人源巨噬细胞接触时的主要体外生物相容性参数，包括酸性区室的含量和活性氧的生成水平。

方法。采用扫描电子显微镜、红外光谱、能谱分析和X射线衍射分析，对二水磷酸氢钙（dicalcium phosphate dihydrate, DCPD）及其钡掺杂变体（DCPD barium-doped form, DCPD-Ba）粉体的形貌、元素组成及物相结构进行定性和定量评估。通过流式细胞术分析人源初代巨噬细胞的存活率、溶酶体含量和活性氧生成水平，并在正常状态和LPS活化条件下与DCPD或DCPD-Ba样品共培养。

结果。采用低温合成方法制备了掺杂Ba2+离子的DCPD样品，其掺杂浓度分别为理论可能取代率的1%、5%和10%（%理论）。每种掺杂水平的实际取代率分别为0.62%、1.43%和6.43%原子百分比。X射线衍射分析结果表明，所有Ba2+浓度下，原始α-三钙磷酸均完全转化为DCPD。红外光谱进一步证实，在所有Ba2+掺杂浓度下，所制备样品的结构均与DCPD标准一致。发现Ba2+掺杂增强了DCPD的水化活性并引起其晶体结构变形。体外研究结果表明，DCPD中Ca2+被Ba2+部分取代不会产生细胞毒性。此外，DCPD-Ba不会抑制细胞的溶酶体生成；在未激活的巨噬细胞中可促进活性氧的产生，而在经LPS诱导的促炎状态下则能抑制活性氧的生成。因此，DCPD及其多种Ba取代形式均为具有潜力的再生医学候选材料。

结论。在人源巨噬细胞培养体系中，无论是在正常条件还是LPS诱导的促炎环境下，所有已制备的Ba取代形式的DCPD样品在1 mg/mL植入推荐浓度下均无细胞毒性。Ba2+的引入不仅未对材料的生物相容性产生负面影响，反而通过在LPS诱导的炎症条件下抑制活性氧的生成，进一步提升了其生物适应性。所提出的Ba2+取代型DCPD的低温合成策略，为获得专用型骨修复CPC材料提供了新的研究方向。Ca2+被Ba2+最大程度取代（6.43原子%）的DCPD变体对活化的巨噬细胞（即炎症条件下）具有潜在的调节作用。这一特性对于调节免疫反应和促进材料在受体体内的骨整合具有重要意义。

作者简介

Polina V. Smirnova

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: smirnova-imet@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5437-7052
SPIN 代码: 5022-2890
俄罗斯联邦, Moscow

Anastasia Y. Teterina

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: teterina_imet@mail.ru
ORCID iD: 0009-0005-1405-2607
SPIN 代码: 5514-8643

Cand. Sci. (Engineering)

俄罗斯联邦, Moscow

Igor V. Smirnov

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: baldyriz@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3602-0276
SPIN 代码: 3680-5330
俄罗斯联邦, Moscow

Vladislav V. Minaychev

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: vminaychev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8498-4566
SPIN 代码: 9217-1374

Cand. Sci. (Biology)

俄罗斯联邦, Moscow; Pushchino

Pavel S. Salynkin

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: salynkin.p.s@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-0959-8072
SPIN 代码: 2594-8099
俄罗斯联邦, Pushchino

Margarita I. Kobyakova

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: kobyakovami@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6846-9994
SPIN 代码: 5611-8437
俄罗斯联邦, Moscow; Pushchino

Kira V. Pyatina

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: kirapyatina01@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-0194-6922
SPIN 代码: 2935-4432
俄罗斯联邦, Moscow; Pushchino

Elena I. Meshcheriakova

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Email: elena.mesh2311@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-6148-5211
SPIN 代码: 6332-6772
俄罗斯联邦, Pushchino

Irina S. Fadeeva

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: fadeeva.iteb@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1709-9970
SPIN 代码: 6475-1023

Cand. Sci. (Biology)

俄罗斯联邦, Moscow; Pushchino

Sergey M. Barinov

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: barinov_s@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4544-2817
SPIN 代码: 5876-1906
Scopus 作者 ID: 7004365385

Dr. Sci. (Engineering), Professor

俄罗斯联邦, Moscow

Vladimir S. Komlev

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: komlev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2068-7746
SPIN 代码: 2668-0066

Dr. Sci. (Engineering), Professor

俄罗斯联邦, Moscow

参考

  1. Navarro M, Aparicio C, Charles-Harris M, et al. Development of a biodegradable composite scaffold for bone tissue engineering: physicochemical, topographical, mechanical, degradation, and biological properties. In: Julius Vancso G, editor. Ordered polymeric nanostructures at surfaces. Heidelberg: Springer Berlin; 2006. P:209–231. doi: 10.1007/12_068
  2. Bose S, Fielding G, Tarafder S, Bandyopadhyay A. Understanding of dopant-induced osteogenesis and angiogenesis in calcium phosphate ceramics. Trends Biotechnol. 2013;31(10):594–605. doi: 10.1016/j.tibtech.2013.06.005
  3. Liu S, Lin Z, Qiao W, et al. Cross-talk between biometal ions and immune cells for bone repair. Engineered Regeneration. 2024;5:375–408. doi: 10.1016/j.engreg.2024.01.003 EDN: VJRRDN
  4. Goldberg MA, Krohicheva PA, Fomin AS, et al. In situ magnesium calcium phosphate cements formation: From one pot powders precursors synthesis to in vitro investigations. Bioact Mater. 2020;5(3):644–658. doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.03.011 EDN: CFYWUC
  5. Teterina AY, Smirnov IV, Fadeeva IS, et al. Octacalcium phosphate for bone tissue engineering: synthesis, modification, and in vitro biocompatibility assessment. Int J Mol Sci. 2021;22(23):12747. doi: 10.3390/ijms222312747 EDN: LUUCKM
  6. Golubchikov D, Evdokimov P, Zuev D, et al. Three-dimensional-printed molds from water-soluble sulfate ceramics for biocomposite formation through low-pressure injection molding. Materials (Basel). 2023;16(8):3077. doi: 10.3390/ma16083077 EDN: JFVLIL
  7. Kovrlija I, Locs J, Loca D. Incorporation of barium ions into biomaterials: dangerous liaison or potential revolution? Materials. 2021;14(19):5772. doi: 10.3390/ma14195772 EDN: YDFSQT
  8. Oskarsson A. Barium. In: Nordberg GF, Fowler BA, Nordberg M, editors. Handbook on the toxicology of metals. 4th edition. Academic Press (Elsevier); 2015. P:625–634. doi: 10.1016/B978-0-444-59453-2.00029-9
  9. Kravchenko J, Darrah TH, Miller RK, et al. A review of the health impacts of barium from natural and anthropogenic exposure. Environ Geochem Health. 2014;36(4):797–814. doi: 10.1007/s10653-014-9622-7 EDN: YBTVCE
  10. U.S. Environmental Protection Agency. Toxicological review of barium and compounds [Internet]. In: Support of Summary Information on the Integrated Risk Information System (IRIS); EPA: Washington: Integrated Risk Information System (IRIS), 1998 [cited 03 June 2025]. Available at: https://iris.epa.gov/static/pdfs/0010tr.pdf
  11. Emsley J. Nature’s building blocks: an A-Z guide to the elements. Oxford: Oxford University Press; 2011. ISBN: 9780199605637
  12. Poddalgoda D, Macey K, Assad H, Krishnan K. Development of biomonitoring equivalents for barium in urine and plasma for interpreting human biomonitoring data. Regul Toxicol Pharmacol. 2017;86:303–311. doi: 10.1016/j.yrtph.2017.03.022
  13. Majumdar S, Hira SK, Tripathi H, et al. Synthesis and characterization of barium-doped bioactive glass with potential anti-inflammatory activity. Ceramics International. 2021;47(5):7143–7158. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.11.068 EDN: RVTMIR
  14. Liu H, Zhang Z, Gao C, et al. Enhancing effects of radiopaque agent BaSO4 on mechanical and biocompatibility properties of injectable calcium phosphate composite cement. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2020;116:110904. doi: 10.1016/j.msec.2020.110904 EDN: JWQYPT
  15. Arepalli SK, Tripathi H, Vyas VK, et al. Influence of barium substitution on bioactivity, thermal and physico-mechanical properties of bioactive glass. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2015;49:549–559. doi: 10.1016/j.msec.2015.01.049 EDN: YFCBKH
  16. Li G, Zhang G, Sun R, Wong CP. Mechanical strengthened alginate/ polyacrylamide hydrogel crosslinked by barium and ferric dual ions. J Mater Sci. 2017;52:8538–8545. doi: 10.1007/s10853-017-1066-x EDN: FZUBOL
  17. Gasa JV, Weiss RA, Shaw MT. Ionic crosslinking of ionomer polymer electrolyte membranes using barium cations. Journal of Membrane Science. 2007;304(1–2):173–180. doi: 10.1016/j.memsci.2007.07.031 EDN: KKJQWR
  18. Zellermann AM, Bergmann D, Mayer C. Cation induced conformation changes in hyaluronate solution. European Polymer Journal. 2013;49(1):70–79. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2012.09.025 EDN: YDHPKP
  19. Alizadeh Sardroud H, Nemati S, Baradar Khoshfetrat A, et al. Barium-cross-linked alginate-gelatine microcapsule as a potential platform for stem cell production and modular tissue formation. J Microencapsul. 2017;34(5):488–497. doi: 10.1080/02652048.2017.1354940
  20. Machida-Sano I, Hirakawa M, Namiki H. Cell compatibility of three-dimensional porous barium-cross-linked alginate hydrogels. Journal of Scientific Research and Reports. 2014;3(20):2611–2621. doi: 10.9734/JSRR/2014/12407
  21. Huang TY, Su WT, Chen PH. Comparing the Effects of chitosan scaffolds containing various divalent metal phosphates on osteogenic differentiation of stem cells from human exfoliated deciduous teeth. Biol Trace Elem Res. 2018;185(2):316–326. doi: 10.1007/s12011-018-1256-7 EDN: HUVVYH
  22. Rocca A, Marino A, Rocca V, et al. Barium titanate nanoparticles and hypergravity stimulation improve differentiation of mesenchymal stem cells into osteoblasts. Int J Nanomedicine. 2015;10:433–445. doi: 10.2147/IJN.S76329 EDN: URKZAH
  23. Mores L, França EL, Silva NA, et al. Nanoparticles of barium induce apoptosis in human phagocytes. Int J Nanomedicine. 2015;10:6021–6026. doi: 10.2147/IJN.S90382 EDN: VGXKWR
  24. Schroeder HA, Tipton IH, Nason AP. Trace metals in man: Strontium and barium. J Chronic Dis. 1972;25(9):491–517. doi: 10.1016/0021-9681(72)90150-6
  25. Lomovskaya YV, Kobyakova MI, Senotov AS, et al. Macrophage-like THP-1 cells derived from high-density cell culture are resistant to TRAIL-induced cell death via down-regulation of death-receptors DR4 and DR5. Biomolecules. 2022;12(2):150. doi: 10.3390/biom12020150 EDN: YAYKAX
  26. Chen Y, Liu Z, Jiang T, et al. Strontium-substituted biphasic calcium phosphate microspheres promoted degradation performance and enhanced bone regeneration. J Biomed Mater Res. 2020;108(4):895–905. doi: 10.1002/jbm.a.36867
  27. Minaychev VV, Smirnova PV, Kobyakova MI, et al. Low-temperature calcium phosphate ceramics can modulates monocytes and macrophages inflammatory response in vitro. Biomedicines. 2024;12(2):263. doi: 10.3390/biomedicines12020263 EDN: TQUFDT
  28. Sabido O, Figarol A, Klein JP, et al. Quantitative flow cytometric evaluation of oxidative stress and mitochondrial impairment in RAW 264.7 macrophages after exposure to pristine, acid functionalized, or annealed carbon nanotubes. Nanomaterials (Basel). 2020;10(2):319. doi: 10.3390/nano10020319 EDN: HSJLCT
  29. Okamoto K, Takayanagi H. Osteoimmunology. Cold Spring Harb Perspect Med. 2019;9(1):a031245. doi: 10.1101/cshperspect.a031245
  30. Zhao T, Chu Z, Ma J, Ouyang L. Immunomodulation effect of biomaterials on bone formation. J Funct Biomater. 2022;13(3):103. doi: 10.3390/jfb13030103 EDN: XGMGIY
  31. Yang Y, Chu C, Xiao W, et al. Strategies for advanced particulate bone substitutes regulating the osteo-immune microenvironment. Biomed Mater. 2022;17(2). doi: 10.1088/1748-605X/ac5572 EDN: AWKWKK
  32. Volkov AV. Morphology of reparative osteogenesis and osseointegration in maxillofacial surgery [dissertation]. Moscow; 2019. Available at: https://www.dissercat.com/content/morfologiya-reparativnogo-osteogeneza-i-osteointegratsii-v-chelyustno-litsevoi-khirurgii (In Russ.)
  33. Minaychev VV. Cellular and tissue aspects of the biocompatibility of calcium-phosphate compounds obtained through by low-temperature synthesis [dissertation]. Pushchino; 2024. Available at: https://www.dissercat.com/content/kletochnye-i-tkanevye-aspekty-biosovmestimosti-kaltsii-fosfatnykh-soedinenii-poluchennykh (In Russ.) EDN: HGMSQR
  34. Pankratov AS, Fadeeva Is, Minaychev VV, et al. A biointegration of microand nanocrystalline hydroxyapatite: problems and perspectives. Genes & Cells. 2018;13(3):46–51. doi: 10.23868/201811032 EDN: VUGEKS
  35. Minaychev VV, Teleshev AT, Gorshenev VN, et al. Limitation of biocompatibility of hydrated nanocrystalline hydroxyapatite. IOP Conf Ser: Mater Sci Eng. 2018;347:012045. doi: 10.1088/1757-899X/347/1/012045 EDN: RYGMEL
  36. Terkawi MA, Matsumae G, Shimizu T, et al. Interplay between inflammation and pathological bone resorption: insights into recent mechanisms and pathways in related diseases for future perspectives. Int J Mol Sci. 2022;23(3):1786. doi: 10.3390/ijms23031786 EDN: DKWORK
  37. Ponzetti M, Rucci N. Updates on osteoimmunology: What’s new on the cross-talk between bone and immune system. Front Endocrinol (Lausanne). 2019;10:236. doi: 10.3389/fendo.2019.00236 EDN: GOFNBJ
  38. Takayanagi H. Osteoimmunology: Shared mechanisms and crosstalk between the immune and bone systems. Nat Rev Immunol. 2007;7(4):292–304. doi: 10.1038/nri2062

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. X-ray diffraction analysis of barium-doped dicalcium phosphate dihydrate powders at 1%, 5%, and 10% of the theoretically possible substitution level: DCPD, dicalcium phosphate dihydrate; DCPD-Ba, barium-substituted dicalcium phosphate dihydrate. X-axis: 2θ (degrees), Y-axis: intensity (relative units).

下载 (117KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Infrared spectroscopy of barium-doped dicalcium phosphate dihydrate powders at 1%, 5%, and 10% of the theoretically possible substitution level: DCPD, dicalcium phosphate dihydrate; DCPD-Ba, barium-substituted dicalcium phosphate dihydrate.

下载 (165KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Scanning electron microscopy of dicalcium phosphate dihydrate powders: a, original (undoped) dicalcium phosphate dihydrate; b, dicalcium phosphate dihydrate doped with 1% Ba²⁺ theoretical substitution level; c, dicalcium phosphate dihydrate doped with 5% Ba²⁺; d, dicalcium phosphate dihydrate doped with 10% Ba²⁺.

下载 (356KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Cytotoxic effect of calcium phosphate compounds on human macrophages: DCPD, dicalcium phosphate dihydrate; DCPD-Ba, DCPD doped with Ba²⁺ at 1%, 5%, or 10% of the theoretical substitution level. a, percentage of viable cells relative to control after 72 h of incubation with various concentrations (10, 3, 1, 0.3, 0.1 mg/mL) of the tested calcium phosphate compounds; b, percentage of viable cells relative to control after 72 h of incubation with 10 mg/mL of DCPD or DCPD-Ba; c, percentage of viable cells relative to control after 72 h of incubation with 3 mg/mL of DCPD or DCPD-Ba; ** p < 0.01 compared with the control.

下载 (209KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Acidic compartment content in human macrophages after incubation with calcium phosphate compounds: DCPD, dicalcium phosphate dihydrate; DCPD-Ba, DCPD doped with Ba²⁺ at 1%, 5%, or 10% of the theoretical substitution level. The Y-axis shows the mean fluorescence intensity of LysoTracker Green in cells, scale: ×106; ** p < 0.01 compared with the control group.

下载 (117KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Production of reactive oxygen species in human macrophages after incubation with calcium phosphate compounds: DCPD, dicalcium phosphate dihydrate; DCPD-Ba, DCPD doped with Ba²⁺ at 1%, 5%, or 10% of the theoretical substitution level; LPS–, macrophages under standard (non-activated) culture conditions; LPS+, macrophages pre-incubated with lipopolysaccharide (activated); * p < 0.05, ** p < 0.01 compared with the control group without lipopolysaccharide; # p < 0.05, ## p < 0.01 compared with the control group with lipopolysaccharide.

下载 (121KB)
索引源数据

版权所有 © Eco-Vector, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».