BFP-1修饰微图案化骨膜促BMSCs成骨向分化机制研究

The surface morphology and rich growth factors of periosteum play an important role in the repair of bone defects. Previous studies showed that the micro-patterning technology could be used to simulate the topological structure of natural periosteal surface grooves, which proved to be beneficial to BMSCs adhesion, proliferation and osteogenic differentiation, but the efficiency of osteogenic differentiation of was low. BFP-1, an active polypeptide derived from immature BMP7, was found to promote osteogenic differentiation of BMSCs in a concentration-dependent manner. Therefore, we believe that stable grafting and slow controlled release of active polypeptide BFP-1 on the surface of micro-patterned biomimetic periosteum can form a local microenvironment with high BFP -1 concentration, which is conducive to osteogenic differentiation and maturation of BMSCs. In this study, the physicochemical properties of GelMA-BFP-1 micropatterned periosteum (GMBP) were detected by chemical synthesis, and the release characteristics and local concentration changes of BFP-1 were dynamically observed to explore the osteogenic induction effect of the periosteum surface microenvironment on BMSCs and its molecular mechanism. Periodontal and segmental bone defect models were used to further reveal the in vivo effect of GMBP osteogenesis induced by periosteum, providing a new idea for improving the effect of periosteum in promoting bone defect repair.

骨膜的表面形态及富含生长因子在骨缺损修复中起重要的促进作用。前期研究表明通过微图案化技术可仿生模拟天然骨膜表面沟槽拓扑结构形态，证明其有利于BMSCs的粘附、增殖及成骨向分化，但单一因素促分化效率较低。鉴于有研究发现源于未成熟BMP7的活性多肽BFP-1能促进BMSCs成骨向分化，效果呈浓度依赖性。据此我们认为在微图案化仿生骨膜表面通过稳定嫁接活性多肽BFP-1并实现缓慢控释，形成局部高BFP-1浓度微环境，有利于BMSCs成骨向分化及成熟。本研究拟通过点击化学合成GelMA-BFP-1微图案化骨膜(GMBP)，检测其理化性能，动态观测BFP-1的释放特性和局部浓度变化，探讨骨膜表面微环境对BMSCs的成骨诱导效果及其分子机制。采用牙周及节段骨缺损模型进一步揭示GMBP骨膜诱导成骨的体内作用效果，为提高骨膜促骨缺损修复作用提供新思路。

骨膜在骨缺损修复中起重要的促进作用。本项目成功构建合成GelMA-BFP-1微图案化骨膜(GMBP)，其中BFP-1的持续释放30天以上。GMBP膜具有良好的生物相容性，GMBP膜有效促进其表面接种的BMSCs成骨向分化，在体内颅骨缺损修复中，Micro-CT结果显示GMBP膜具有一定诱导骨缺损修复能力，提示GMBP膜在骨组织工程中具有良好的应用价值和前景。但原设计计划的GMBP膜为单层膜结构，屏障功能弱，实验结果提示其机械性能不足，无法足够的抗压和抗撕裂能力，这也是目前骨膜等生物膜材料的临床应用难题。因此我们拟在GMBP骨膜材料的基础上合成双层结构的具有优异机械性能的骨膜材料，并且能直接通过缝合固定的方式，充分发挥骨膜的屏障功能创造内部骨缺损修复有利环境以及持续时间长的隔绝作用保护植骨材料稳定。即使目前市面上常用的组织膜材料中，如何获得具有足够的抗力以及膜位置的固定依然是目前临床的难题。结合课题组研究方向，拟在GMBP表面结合一种理化性能强，抗压抗拉伸能力强的组织膜材料，仿生骨膜的表面致密纤维层。因此本项目同时通过延伸研究计划成功制备一种类白膜（TA）的生物组织膜材料ATA，实验结果表明ATA具有良好的物理性能、较强的抗撕裂能力、优秀的缝合性能及耐久性，通过体内和体外实验证明ATA 具有良好的生物相容性及软组织缺损修复能力，提示其在软组织缺损修复具有重要潜力，为后续合成具有良好的物理性能及骨诱导性的双层仿生骨膜材料提供足够的实验依据。