骨损伤修复材料刚度参数对干细胞成骨行为的影响

Bone defect repair is a major problem in the orthopedics，for which developing tissue engineering material is a crucial solution.The physical and chemical properies of material significantly effect its bioactivity.Stiffness as an independent cell regulation cue,attracted more and more attentions.However the effect of stiffness on osteogensis and underlying mechanism is remaining unclear.Our research team developped a polymer/clay nanocomposite hydrogel consisting of acrylamide and hectorite with following features:significantly improved mechanical properties,capable of applying in bone tissue engineering;Biomimic stiffness as mechanical cue for stem cell differentiation;Fine tunable stiffness,for being a research platform.With these characteristics,it can be a substantial scaffold material.Basing on early reseach,this project aims to testify the osteogenesis capacity of the different stiffness of composite gel by testing ssteogenic markers,and to clarify the mechanism of the stiffness regulating stem cells' differentiation by examine the classic differential pathway and cells' mechanical behavior,hoping to provide theoretical support for the use of this composite in bone tissue engineering from a biomechanical perspective.

骨缺损的修复是骨科领域的一大难题，其解决的关键途径是研发性质优良的组织工程材料。影响材料生物活性的理化参数中，刚度作为调控细胞行为的独立因素，日渐受到重视，但骨修复材料刚度对干细胞成骨行为的影响及机制，至今尚未阐明。本团队前期制作了聚丙烯酰胺与合成锂蒙脱石复合而成的纳米粘土复合凝胶，具有以下特性：力学特性较普通凝胶明显提高，可满足骨组织工程需要；具有仿天然骨与细胞界面的刚度，可为干细胞成骨分化提供力学指引；刚度精细可调，可作为研究干细胞力学响应的平台；是一种潜在的骨组织工程支架材料。本课题计划在前期研究基础上，通过在分子水平检测成骨标志物的表达，验证不同刚度复合凝胶的成骨诱导能力。通过分析凝胶刚度对骨髓间充质干细胞成骨分化经典通路的影响，以及单细胞水平间充质干细胞力学行为的改变，明确刚度影响骨髓间充质干细胞成骨分化的机制，从生物力学的角度为纳米粘土复合凝胶在骨组织工程中的应用提供理论支持。

骨不连、骨缺损等与成骨能力不足相关的疾病是骨科治疗的难点，形成促成骨生长环境是治疗此类疾病的关键之一。目前大量的研究主要关注生化因素影响成骨环境，但仍难以获得稳定的临床促成骨效果，因此研究骨与细胞界面中物理因素对细胞成骨分化的影响成为另一个重要的方向。.本项目采用AFM、SEM等生物医学成像方法，表征及提取天然骨与细胞界面硬度、弹性模量等微观形貌的基本参数。并以此为基础制备仿生天然骨与细胞界面参数的材料，建立研究干细胞成骨行为的实验平台。通过检测细胞行为变化和成骨标志物的表达，验证不同刚度以及基底硬度、微观形貌材料的成骨诱导能力，分析其对间充质干细胞成骨行为的影响，验证材料力学参数和微观形貌对干细胞成骨是否存在协同作用。.本项目的重要结果和科学意义是：1.获得了天然骨与细胞界面硬度与弹性模量的力学特性参数、微观形貌的形态和量化数据，建立研究骨微观形貌量化分析的方法，为后续进一步研究奠定基础。2.通过不同时长的力学刺激诱导间充质干细胞，证实其可在较大范围改变自身弹性模量，存在力学性质可塑性，为通过控制力学刺激时间调节间充质干细胞分化的可能性提供依据。3.通过观察不同刚度参数凝胶材料对间充质干细胞成骨行为的影响，发现在一定刚度区间范围内，间充质干细胞的铺展面积、增殖、成骨分化与刚度值呈正相关，提示适宜刚度参数可促进干细胞成骨分化。而刚度过高或过低均不能影响间充质干细胞的增殖及成骨分化的结果，说明只有一定范围的力学信号才能转化为促进间充质干细胞增殖及成骨分化的信号。4.通过观察对比不同硬度及微观形貌的复合PDMS基底上间充质干细胞的细胞行为及成骨分化情况，发现间充质干细胞的增殖主要可能由基底的硬度影响，而细胞形态与成骨分化能力则由基底硬度和形貌协同调控，说明机械力学特性与微观形貌能协同影响BMSCs成骨分化。