多孔支架表面微纳分级结构协同化学刺激对骨修复的影响及机制研究

In the process of bone repairing, micro/nano topological structure and chemical stimulation play important role in modifying cell behavior and promoting osteogenic activity. However, it’s still a big challenge to construct a proper scaffold, which not only promotes the proliferation, osteogenesis differentiation of the mesenchymal stem cells (MSCs), but also stimulates angiogenesis process. Based on our previous research results, 3D printing technology and biomimetic synthesis method will be used in this study. The research contents mainly include: high mechanical strength porous scaffold of β-tricalcium phosphate will be prepared by 3D printing; the microstructure and the chemical composition of the 3D scaffold is adjusted by adding Sr and Co with the aid of sodium citrate. Finally, a 3D scaffold with stable hierarchical structure and controllable releasing of trace elements will be obtained. Moreover, the cellular behaviors (such as adhesion, migration and proliferation etc), and gene expression related to the osteogenesis differentiation and angiogenesi, will be systematic studied in the presence of single stimulation (topological structure or chemical stimulation) and synergistic stimulating, respectively. We expect that some novel understanding and knowledge for osteogenic differentiation and angiogenesis can be obtained. That will further provide important theoretical basis for developing novel bone tissue repair materials.

在骨修复进程中，骨组织工程支架表面微纳米拓扑结构与化学刺激在调控细胞行为、提高成骨活性方面发挥了关键作用。然而，如何对支架进行合理设计，使其既适合细胞增殖和成骨分化，又能诱导新生血管生成，目前仍面临重大挑战。基于前期研究基础，本研究拟利用三维打印技术和仿生合成手段来解决这一问题。具体内容为：通过三维打印技术获得高强度β-磷酸三钙多孔支架，在柠檬酸钠调控下，引入微量元素Sr和Co，从而对支架表面羟基磷灰石（HAp）微纳米颗粒结构和化学组成进行精确控制，最终获得具备多种分级结构、微量元素释放可控的HAp三维支架体系。通过分别考察细胞在单一刺激（微纳分级结构或化学刺激）以及双重刺激作用下的粘附、迁移、增殖等行为，在细胞和分子水平上检测细胞成骨及成血管相关标记基因和蛋白的表达，探索微纳分级结构和化学刺激两种作用方式对细胞调控的分子机制和协同调控规律，为新型骨修复材料的开发提供可靠的理论依据。

在骨修复进程中，骨组织工程支架表面微纳米拓扑结构与化学刺激在调控细胞行为、提高成骨方面发挥了关键作用。然而，如何对支架进行合理设计，使其既适合细胞增殖和成骨分化，又能诱导新生血管生成，目前仍面临挑战。本项目以柠檬酸钠作为晶体生长调控剂，系统考察了柠檬酸钠分子对羟基磷灰石晶体成核、生长及组装行为的影响；并以α-TCP作为基底，研究了柠檬酸钠控制三维支架表面微纳结构形成的调控机制。通过体外表征考察了支架掺杂及表面微观结构对细胞行为的影响，研究结果表明：（1）柠檬酸钠分子能够抑制HAp晶体的成核与结晶，但是当柠檬酸钠分子超过临界浓度后，羟基磷灰石纳米棒倾向于由二维有序堆积向三维分型生长的组装方式转变；（2）在α-TCP向HAp转变过程中，支架表面发生溶解与重结晶，柠檬酸钠分子对控制重结晶过程中的纳米晶生长和三维堆叠发挥了重要作用。低浓度柠檬酸钠促进表面棒状纳米结构的生成，而高浓度柠檬酸钠分子则促进纳米棒状的分型生长进而形成纳米棒簇结构；（3）相比于光滑表面，分级结构表面更利于成骨细胞的粘附与增殖；且纳米棒簇在促进细胞增殖和分化过程中的表现要优于纳米棒结构；（4）Sr元素掺杂利于细胞的成骨分化，Co元素的引入一定程度上会抑制细胞的增殖和成骨分化行为，但其能够上调成血管基因的表达。同时本项目还拓展了利用天然多糖瓜儿豆胶分子构筑三维有序磷酸钙支架的潜能，总体来说，本项目研究的磷酸钙三维支架体系将为新型骨组织工程支架的构建提供新的思路。