介孔二氧化铈纳米药物载体的制备及促成骨性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250170

摘要/Abstract

摘要：

牙周炎是一种慢性炎症性疾病，其病理进程中产生的过量活性氧（Reactive oxygen species，ROS）破坏组织微环境稳态，阻碍骨组织修复与再生。针对上述问题，通过水热法制备介孔二氧化铈（CeO₂）纳米载体，利用物理吸附法负载二甲双胍（MET），构建了CeO₂@MET复合纳米材料，并对其促成骨能力进行了研究。实验结果显示，CeO?@MET具有均匀的介孔结构，MET负载量（质量分数）为（5.61±0.37）%，能够保留CeO₂的立方萤石结构和氧空位（Ce³⁺占比为12.28%），并表现出优异的抗氧化酶活性和药物缓释特性。当CeO₂@MET质量浓度≤100 μg/mL时，能够显著促进MC3T3-E1前成骨细胞的增殖和迁移，同时增强其碱性磷酸酶活性表达，具有良好的生物相容性和促成骨分化能力。本研究构建了兼具高效ROS清除与药物缓释控释功能的CeO₂@MET纳米复合体系，实现了ROS清除与MET成骨诱导的双重功能协同，为克服牙周炎骨再生障碍提供了同时具备抗炎调控与高效促成骨活性的新型纳米材料策略，在牙周组织工程领域具有应用前景。

关键词: 二氧化铈, 二甲双胍, 介孔, 活性氧清除, 成骨活性

Abstract:

Periodontitis is a chronic inflammatory disease that significantly affects oral health. During its pathological progression， the inflammatory response generates excessive reactive oxygen species （ROS）， which disrupts the stability of the tissue microenvironment and impedes bone tissue repair and regeneration. To address these challenges， mesoporous cerium dioxide （CeO₂） nanocarriers were synthesized via the hydrothermal method， and metformin （MET） was loaded onto them through physical adsorption to construct CeO₂@MET composite nanomaterials. The osteogenic potential of these materials was systematically evaluated. Experimental results demonstrated that CeO₂@MET exhibited a uniform mesoporous structure with a MET loading capacity of （5.61±0.37）% （mass fraction）. It retained the cubic fluorite structure and oxygen vacancies （Ce³⁺content of 12.28%） characteristic of CeO₂， while displaying excellent antioxidant enzyme activity and sustained drug-release properties. At concentrations of ≤100 μg/mL， CeO₂@MET significantly promoted the proliferation and migration of MC3T3-E1 pre-osteoblasts and enhanced their alkaline phosphatase activity expression， thereby confirming its excellent biocompatibility and osteogenic differentiation ability. This study successfully developed a CeO₂@MET nanocomposite system with dual functionalities of efficient ROS scavenging and controlled drug release. This system achieves synergistic effects in ROS scavenging and MET-induced osteogenesis， offering a novel nanomaterial-based strategy for overcoming bone regeneration obstacles in periodontitis. It holds significant promise for applications in periodontal tissue engineering， combining anti-inflammatory regulation with highly efficient osteogenic activity.

Key words: Cerium dioxide, Metformin, Mesoporous, Reactive oxygen species scavenging, Osteogenic activity

中图分类号:

O643.1

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图/表 5

图1 介孔CeO2的SEM图（A）和TEM图（B）； CeO2@MET的SEM图（C）和TEM图（D）； MET、CeO2和CeO2@MET的FT-IR谱图（E）和Zeta电位图（F）

Fig.1 （A） SEM image and （B） TEM image of mesoporous CeO2；（C） SEM image and （D） TEM image of CeO2@MET；（E） FT-IR spectrum and （F） Zeta potential of MET， CeO2 and CeO2@MET

图2 CeO2@MET的（A）XRD图和（B）XPS图； MET、CeO2和CeO2@MET的（C）SOD酶活性和（D）CAT酶活性；数据以平均值±标准差表示，n=3。当P＜0.05时，认为有显著差异。柱状图中不同的字母表明双方存在统计学差异

Fig.2 （A） XRD and （B） XPS of CeO2@MET；（C） SOD activity and （D） CAT activity of MET， CeO2 and CeO2@MET； Data are expressed as mean±SD， n=3. P＜0.05， dissimilar letters in bar charts indicate values that are significantly different from each other

图3 CeO2@MET的药物释放曲线

Fig.3 Drug release curve of CeO2@MET

图4 （A） CeO2@MET在经过24 h后与细胞共培养后的细胞活力率；（B） CeO2@MET的活/死染色（数据以平均值±标准差表示， n=3。当P＜0.05时，认为有显著差异。柱状图中不同的字母表明双方存在统计学差异）

Fig.4 （A） Cell viability following co-culture with CeO2@MET for 24 h；（B） Live/dead staining of CeO2@MET （Data are expressed as mean±SD， n=3. P＜0.05， dissimilar letters in bar charts indicate values that are significantly different from each other）

图5 CeO2和CeO2@MET的（A）细胞迁移镜下图像；（B）7 d ALP染色、14 d ALP染色和（C）定量分析。数据以平均值±标准差表示， n=3。当P＜0.05时，认为有显著差异。柱状图中不同的字母表明双方存在统计学差异

Fig.5 （A） Microscopy image of cell migration；（B） 7 d ALP staining， 14 d ALP stainingand （C） quantitative analysis of CeO2 and CeO2@MET. Data are expressed as mean±SD， n=3. P＜0.05， dissimilar letters in bar charts indicate values that are significantly different from each other

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