胆固醇修饰的新型骨修复材料及其力学性能对骨间充质干细胞影响机制研究

The problem of the bone defect repair and reconstruction has always been hard to solve for modern medicine, develop new bone tissue repair material has become the strategic needs of biomedicine. There encounter many challenges with the development of bone tissue repair materials, such as specific response of cells with the matrix. The different culture environment bewteen in vivo and in vitro, cell culture in vitro cannot truly simulate the body environment. To solve this problem, cholesterol-modified chitosan conjugate with succinyl linkages (ChCS) was synthesized, and a series of different mechanical strength three-dimensional composite materials will build. The molecular mechanism of ChCS materials interaction with bone mesenchymal stem cells will be researched systematically, and the mechanical properties of ChCS matrix affect on cell behavior will to explore too. The underlying relations of the cell differentiation behavior were affected by different grafting ratio ChCS and matrix stifness will be researched. The study will provide scientific support for designing tissue engineering scaffold and provide meaningful measures of construct the functional novelty bone tissue engineering repair materials by use the cholesterol.

骨损伤修复与重建一直是现代医学力求解决的难题，研制新型促骨组织快速修复材料已成为生物医学领域的战略需求。现行骨修复材料面临诸多挑战，包括材料与细胞间的特异性响应, 体内外环境差异使得体外细胞培养无法真正模拟体内环境等。为此本项目利用仿生技术，利用细胞膜固有成份--胆固醇改性壳聚糖，构建不同力学强度的三维复合材料；系统地研究不同接枝率的改性材料与骨间充质干细胞的相互作用及分子机制，材料力学强度对细胞行为的影响与作用机制。阐明胆固醇含量、材料力学性能与细胞行为之间的依存关系，为胆固醇在骨修复材料中的应用提供科学数据与实验基础，为新型骨组织修复仿生材料的研究提供一种全新的研究思路和方法。

项目背景：人体骨组织的损伤修复与重建一直是现代医学力求解决的难题，研制新型促骨组织快速修复材料已成为生物医学领域的战略需求。目前在骨组织修复材料当中应用较多的是羟基磷灰石、聚乳酸-聚羟基乙酸及壳聚糖等。然而目前并没有一种理想的单一材料或复合材料能快速有效地促进骨组织的修复。如能构建一种能快速促进骨组织修复的材料且材料在制备加工过程及储存过程中不受诸多限制，则该材料必能为骨组织修复材料领域注入一剂活力。.主要研究内容：利用胆固醇对壳聚糖进行了仿生修饰。对不同接枝率的ChCS材料进行了细胞学评价，筛选出促细胞增殖分化性能最佳材料。进一步对材料促细胞成骨分化进行了全基因芯片检测，材料对细胞分化影响的机理进行了分析。对ChCS材料促骨修复能力进行了动物实验评价。探讨了不同力学性能材料对于细胞行为的影响。.重要结果：一定接枝率范围内的胆固醇-g-壳聚糖材料比未经胆固醇修饰的纯壳聚糖材料具有更好的促细胞成骨分化及促骨缺损修复。全基因芯片检测分析结果表明ChCS材料通过影响细胞PI3K-AKt信号通道、Wnt信号通道、骨架蛋白调节信号通道以及黏着斑黏附通道等来增强细胞与材料之间的粘附作用从而促进了细胞的增殖和分化。材料在一定力学强度范围内的材料才能既促细胞增殖而后又促细胞分化，力学强度达到一定程度后，细胞的增殖速率变缓，但细胞的分化程度增强。.关键数据：本项目所研制的胆固醇改性壳聚糖材料当接枝率在4%~5%之间时，表现出了良好的促细胞增殖及分化的最佳效果。该材料明显地促使细胞更大比例的处于S期（DNA合成期）和G2/M期（DNA合成后期），促使成骨相关基因高表达，加速骨修复能力，12周时缺损基本完全修复。.科学意义： ChCS材料对于骨缺损的修复具有积极地促进作用，能加速骨缺损的修复。该材料可作为非承重骨的骨填充修复材料以及承重骨修复材料的表面修饰材料，加速骨缺损的修复，这一成果对骨组织工程修复材料的研制具有积极地意义。