镁合金支架复合基因修饰的BMSCs构建关节软骨及修复软骨缺损的作用

Scaffolds for cartilage tissue engineering, which has not been made of metal materials, have some disadvantages such as brittleness and poor mechanical property. These scaffolds can not fully meet the requirement of repairing the articular cartilage defects. Previous study found that the novel patent magnesium alloy, with excellent biocompatibility and suitable mechanical property, could easily degrade in biological environment and promote the adhesion, proliferation and differentiation of chondrocytes in vitro. In this study, the JDBM magnesium alloy scaffolds for cartilage tissue engineering are fabricated using laser drilling method, and their degradation behavior are examined using scanning electron microscopy, energy disperse spectroscopy and X-ray diffraction analysis in the biological environment. The effects of the magnesium alloy scaffolds combined with gene-modified BMSCs on the differentiation and proliferation of chondrocytes are investigated at the molecular level, and the effects of the scaffolds on the expression of transcription factor Sox9, proteoglycan and type Ⅱ collagen are explored using real time polymerase chain reaction and western blot methods during the differentiation of chondrocytes. Meanwhile, the ability of ectopic chondrogenesis, and the feasibility and effectiveness of the magnesium alloy scaffolds combined with gene-modified BMSCs for repairing cartilage defects are evaluated. Ultimately the magnesium alloy scaffolds, with suitable mechanical property and excellent biological activity, are developed for cartilage tissue engineering. This study is expected to lay the foundation for the repair of cartilage defects via tissue engineering technology.

软骨组织工程支架尚未涉及金属材料，存在脆性大，力学性能差等缺陷，不能完全满足关节软骨缺损修复时承载需要。前期研究发现自主专利镁合金可降解，预实验提示镁合金能促进软骨细胞的粘附、增殖及分化，且力学性能极佳。本项目拟在此基础上，通过激光钻孔法制备JDBM镁合金软骨组织工程支架，应用扫描电镜、元素图谱和X线衍射分析该支架在生物学环境中的降解性能，采用有限元模型探讨其孔隙率、孔径与降解性能的关系；在分子水平研究镁合金支架对基因修饰的BMSCs向软骨细胞分化增殖的影响，探讨期间该材料对软骨细胞转录因子Sox9及蛋白聚糖和Ⅱ型胶原等mRNA及其蛋白产物的作用；分析镁合金支架复合基因修饰后的BMSCs异位成软骨及修复软骨缺损的能力，阐明镁合金支架复合基因修饰的BMSCs修复软骨缺损的可行性、有效性，最终研制并筛选出具有优良力学性能及生物学活性的镁合金软骨组织工程支架，为组织工程修复软骨缺损奠定基础。

镁合金因其优良的机械性能以及可生物降解吸收等特点，在骨科生物支架材料方面具有良好的应用前景。本课题主要研究了四个方面的内容并顺利完成研究任务：（1）探讨钙磷涂层多孔镁合金与BMSCs的组织相容性以及其作为软骨支架的可行性以及其对成软骨分化的影响；（2）氟化镁涂层多孔镁合金作为骨组织工程的体内体外研究；（3）Mg-Zn合金成骨抗菌双重特性的体内体外研究；（4）微波水热法磷酸肌酐作为有机磷源合成的掺铜介孔羟基磷灰石微球在药物搭载和促进成骨方面的应用。通过研究我们得出以下结论：（1）BMSCs复合钙磷涂层镁合金支架在体外诱导条件下可以形成软骨组织，并能产生软骨特异性II型胶原和蛋白聚糖，而且镁合金可以促进细胞的增殖和软骨相关基因Aggreacan的表达上调。但未涂层多孔镁合金支架降解过快，不适合直接种植细胞。钙磷涂层多孔镁合金支架具有成为软骨组织工程支架的潜力；（2）氟化镁涂层多孔镁合金支架具有良好的抗腐蚀性及细胞相容性。与无涂层的AZ31支架相比，FAZ31支架能促进rBMSCs的成骨分化。我们进一步通过兔股骨髁缺损修复发现FAZ31支架具有更好的骨传导及骨诱导活性。氟化镁涂层多孔镁合金支架在骨缺损修复领域具有一定的应用价值；（3）Mg-Zn合金不仅能促进rBMSCs的成骨分化，亦能对MRSA产生一定的抗菌效果。Mg-Zn合金的抗菌效果可能与其产生的pH环境和释放产生的Zn有关，而Mg-Zn合金的成骨诱导特性可能与其释放的Mg和Zn元素有关。Mg-Zn合金的抗生物膜和促成骨双重特性将有利于防止内植物相关感染并促进内植物的骨整合。（4）通过微波水热法使用磷酸肌酐作为有机磷源合成你一种新型的掺铜介孔羟基磷灰石微球（Cu-MHMs）。Cu-MHMs由羟基磷灰石纳米棒/纳米片组装而成一种空心介孔微球，具有较高的比表面积，在药物搭载方面具有一定的应用前景。铜元素的掺入赋予了MHMs成血管活性，使之有利于修复大段骨缺损。体外实验发现Cu-MHMs/CS支架能促进rBMSCs的成骨分化，亦能促进EA.hy926细胞的成血管化。大鼠极限颅骨骨缺损修复实验发现Cu1-MHMs/CS支架不仅能促进骨再生，同时能促进血管再生。本研究结果表明Cu-MHMs/CS支架在治疗骨缺损方面具有一定的应用潜能。