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镁磁协同促进小鼠骨髓间充质干细胞成骨分化及机制研究

镁磁协同促进小鼠骨髓间充质干细胞成骨分化及机制研究

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作者：汪逸凡中南大学

学位级别：硕士

背景:临床中因创伤、感染、肿瘤等导致的骨缺损患者数目庞大。用于骨缺损修复的材料主要有自体骨、异体骨及人工骨等。自体骨来源有限,取材会对患者产生二次损伤;异体骨来源丰富,但存在免疫排斥、疾病传播等问题。因此,人工骨支架的开... 详细信息

背景:临床中因创伤、感染、肿瘤等导致的骨缺损患者数目庞大。用于骨缺损修复的材料主要有自体骨、异体骨及人工骨等。自体骨来源有限,取材会对患者产生二次损伤;异体骨来源丰富,但存在免疫排斥、疾病传播等问题。因此,人工骨支架的开发为目前骨科临床与骨组织工程领域的研究热点。目前已有采用高分子材料、生物陶瓷、生物合金以及复合材料等构建人工骨支架修复骨缺损的研究报道,但这些人工骨支架的成骨活性难以与骨修复需求完美适配。赋予人工骨支架优良的成骨性能,使其充分发挥修复骨缺损的生物学作用是人工骨支架研究面临的难点。镁基材料是重要的成骨材料之一。但因纯镁材料在生物体内降解过快、降析出氢气、产生碱性环境等原因,未在临床中大量使用。目前国内外研究聚焦解决镁材料的上述问题,但针对镁离子进入细胞内的研究较少。研究含镁材料的成骨性能主要通过镁离子的跨膜转运实现,如何实现镁离子高效跨膜转运是发挥含镁材料成骨作用的关键。磁场可以通过诱导细胞迁移粘附和调节成骨-破骨平衡的方式促进新骨形成,磁场对成骨-破骨的调节主要是通过胞膜表面的电、机械敏感受体将磁场的生物电信号转化为生物化学信号,继而引起胞内下游级联反应而发挥作用。细胞表面的Mg通道(如MAGT1通道)、K通道、Ca通道等阳离子通道在磁场的生物电效应作用下其开关频率也会发生变化。利用磁场调控胞膜上离子通道的开放频率能够有效促进离子有效内流,从而调控细胞成骨分化。这种镁磁协同成骨的作用可能与骨髓间充质干细胞膜表面的镁离子通道MAGT1和细胞核内调节基因转录的应答响应单元CREB1有关。目的:研究静态磁场(SMFs)环境和Mg培养基对小鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)增殖和成骨分化的影响及相关离子通道等在BMSCs成骨分化中发挥的作用。方法:(1)以小鼠BMSCs为靶细胞,培养于镁离子环境和中等强度静磁场环境中。将培养的细胞分为4组,空白对照组、7.5m M镁离子培养组、15m T静磁场培养组、7.5m M Mg+15m T SMF(镁磁共培养组)。(2)在第1,7天使用Calcein/PI细胞活性与细胞毒性检测试剂盒检测成骨细胞活性及毒性,使用镁离子荧光探针(Mag-Fluo-4 AM)试剂盒检测细胞镁离子内流情况,在1,3,5,7天使用CCK-8试剂盒检测成骨细胞的增殖情况,以碱性磷酸酶染色检测细胞成骨表达,茜素红染色观察培养细胞钙结节的数量和大小,RTq-PCR检测各组干预7天后BMSCs成骨因子Runx2、SP7、ALP m RNA表达情况,Western blot分析成骨细胞内成骨标志物COL1、Runx2、SP7、ALP蛋白表达情况。(3)为了检测相关基因在BMSCs成骨分化过程中扮演的角色,使用si RNA转染分别沉默MAGT1、CREB1基因,并检测相关成骨标志物表达水平。结果:(1)相较对照组,镁离子干预组、静磁场干预组中BMSCs细胞未表现出明显细胞毒性,细胞活力较好,细胞内镁离子浓度较高,细胞增殖数量上升,碱性磷酸酶染色提示ALP活性升高,茜素红染色提示镁、磁场干预使BMSCs骨矿化结节增多,进一步研究发现镁、磁场干预上调BMSCs成骨标志基因(Runx2、SP7、ALP)转录及成骨标志蛋白(COL1、Runx2、SP7、ALP)的表达,提示镁、磁场对BMSCs有促进成骨分化的作用。(2)镁、磁场共同干预的条件下,BMSCs在细胞活力、镁离子内流水平、增殖及成骨分化水平中表现出最优异的结果,BMSCs的增殖及成骨分化水平高于镁、磁场单独干预,提示磁场环境促进镁离子的成骨分化作用,镁、磁场之间存在协同成骨作用。(3)分别沉默MAGT1、CREB1基因后,使用镁、磁场对BMSCs进行干预。BMSCs ALP活性、钙结节数量、相关成骨标志基因转录水平及成骨标志蛋白表达均有下降,提示镁、磁场的协同成骨作用可能与MAGT1、CREB1基因的表达有关。结论:一定强度的静磁场环境可增强镁离子对BMSCs的促进增殖及诱导成骨分化作用,这种干预条件不会对细胞产生明显毒副作用,镁磁之间存在协同成骨作用。这种协同成骨作用可能与BMSCs中MAGT1、CREB1基因的表达相关。图22幅,表2张,参考文献59篇

关键词：骨髓间充质干细胞成骨分化镁离子静磁场镁离子通道协同成骨

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3D打印多功能生物活性陶瓷支架研究

3D打印多功能生物活性陶瓷支架研究

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作者：景卓荦杭州电子科技大学

学位级别：硕士

在骨肿瘤部位进行切除手术、骨头被外力创伤等情况下引起的骨缺损区域进行骨修复材料的填充是治疗骨缺损的一个有效治疗手段,骨填充材料性能的好坏直接影响骨缺损处的修复效果。自体骨和异体骨对于治疗骨缺损都具有一定的局限性,需要骨... 详细信息

在骨肿瘤部位进行切除手术、骨头被外力创伤等情况下引起的骨缺损区域进行骨修复材料的填充是治疗骨缺损的一个有效治疗手段,骨填充材料性能的好坏直接影响骨缺损处的修复效果。自体骨和异体骨对于治疗骨缺损都具有一定的局限性,需要骨填充物应具有出色的生物活性、与缺损部位相匹配的力学强度、可控的生物降解性能、合适的孔道结构和尺寸。随着临床应用的发展,对骨修复支架的性能提出了更高的要求,一方面,骨肿瘤切除后,肿瘤细胞的残余可能会造成治疗效果失败,因此,便对骨支架提出了抗肿瘤的要求,另一方面,为了更快、更好地治疗骨缺损部位,需要骨支架具有优异的骨再生修复能力。因此,本文结合3D打印技术以及浸渍法涂层技术制造了具有抗肿瘤性能和优异骨再生修复能力的多功能生物活性陶瓷支架。本论文的具体研究内容和结果归纳如下:(1)将纳米羟基磷灰石(n-HA)作为涂层吸附在以掺镁硅酸钙(CSi-Mg)为主体支架的表面,制备了CSi-Mg/n-HA复合支架。实验结果表明,改变不同的吸附工艺参数能够得到不同的n-HA吸附层厚度(0μm～20μm),对该支架进行模拟体液浸泡实验,结果显示其力学强度具有较好的保持性,其三周后依然具有81-91MPa的抗压强度。同时,模拟体液溶液内降解实验显示,该支架具有较好的生物活性。(2)为了探究具有n-HA表面涂层的支架的抗肿瘤性能,本文通过电子显微镜观察支架表面细胞形态、细胞凋亡实验等一系列实验对支架进行了抗肿瘤性能探究,结果表明CSi-Mg/n-HA1支架和CSi-Mg/n-HA3支架均表现出对人骨肉瘤细胞(MG63)的黏附以及数量增长所产生的抑制作用。通过Transwell实验、细胞划痕实验证明了CSi-Mg/n-HA1支架和CSi-Mg/n-HA3支架对人骨肉瘤细胞(MG63)的迁移具有抑制作用。继而通过细胞活死染色实验、细胞形态染色实验、CCK-8实验、茜素红染色实验、以及对ALP、OCN、RUNX2、BSP等成骨基因的表达的探究,我们发现CSi-Mg/n-HA1支架和CSi-Mg/n-HA3支架对大鼠骨髓干细胞的生长情况具有正向引导的作用,有利于钙盐沉积,能够促进骨组织的修复和生长。(3)本文将镓(0wt%,2.5wt%,5.0wt%,7.5wt%)和10 mol%镁掺杂到硅灰石陶瓷中得到四种生物活性陶瓷材料(CSi-Mg/Ga0、CSi-Mg/Ga2.5、CSiMg/Ga5.0、CSi-Mg/Ga7.5),结合3D打印技术,制备了掺镓和镁的硅灰石陶瓷支架并对四种支架的力学性能进行了研究。实验结果表明,在1120℃烧结后,支架具有优异的力学性能。(4)本文探究了四种材料的支架在Tris溶液中的离子释放情况,离子释放情况表明,CSi-Mg/Ga2.5、CSi-Mg/Ga5.0、CSi-Mg/Ga7.5支架能够释放镁元素、钙元素、镓元素,具有潜在的镓-镁协同成骨的作用,模拟体液中的降解性能表明CSi-Mg/Ga5.0、CSi-Mg/Ga7.5支架具有较好的力学性能保持。我们通过细胞活死染色以及免疫荧光染色实验证明了CSi-Mg/Ga5.0支架和CSi-Mg/Ga7.5支架比CSi-Mg/Ga0支架有更好的细胞活性以及成骨性能。本学位论文对抗肿瘤支架的制备工艺及其抗肿瘤性能进行了深入探索,在其抗肿瘤现象的背后,对其表现出的抗肿瘤性能,较高的力学性能的内在机理进行了广泛讨论。本文还制备了镓-镁共掺杂、具有镓-镁协同成骨作用的生物活性支架,为后续深入探索制造具有抗肿瘤性能、优良成骨性能的骨修复支架提供了全新的工艺技术和解决策略,也在一定程度上推动了临床上定制具有多种功能的、不同形状的骨修复支架的进一步发展。

关键词： 3D打印生物活性陶瓷支架生物制造抗肿瘤协同成骨骨再生

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纳米SIM@ZIF-8改性的可注射高强度生物水凝胶发挥成骨抑脂双向调控作用个性化修复不规则骨缺损

纳米SIM@ZIF-8改性的可注射高强度生物水凝胶发挥成骨抑脂双向调...

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2023年中华口腔医学会口腔颌面修复专业委员会第8次全...

作者：乔铭薪朱舟万乾炳四川大学华西口腔医院修复1科

目的:高脂血症主要是由血液中胆固醇浓度过高引起的一种脂代谢疾病。由于成骨微环境中的脂质和炎症浸润,高脂血症患者骨愈合障碍的发生率相对较高。然而,目前很少有骨组织工程材料用于解决以上问题。因此,制备具有促进成骨和抑制脂肪生... 详细信息

目的:高脂血症主要是由血液中胆固醇浓度过高引起的一种脂代谢疾病。由于成骨微环境中的脂质和炎症浸润,高脂血症患者骨愈合障碍的发生率相对较高。然而,目前很少有骨组织工程材料用于解决以上问题。因此,制备具有促进成骨和抑制脂肪生成的双调控治疗平台对高脂血症患者骨缺损修复具有广泛的临床应用前景。方法:本研究采用一锅法将辛伐他汀负载于类沸石咪唑酯骨架-8晶体内,从而构建纳米级SIM@ZIF-8载药体系。通过引入聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)/海藻酸钠(SA)复合水凝胶承载SIM@ZIF-8,最终构建SIM@ZIF-8/PEGDA/SA治疗平台。通过SEM,LC-MSMS,流变学及力学测试等实验进行一系列材料表征。体内外材料安全性评估通过CCK-8,免疫荧光染色,脏器HE染色,生化指标等进行验证。此外,ALP定性及定量染色,油红O染色及细胞相关PCR及WB指标,体内Micro-CT分析,HE及Masson染色等充分证实了材料的成骨降脂能力。最后,我们通过SD大鼠颅骨缺损周围的PCR和WB检测深入探究了其治疗平台发挥双调控作用的分子机制。结果:该课题首先测定了SIM@ZIF-8的载药率和包封率,证实了纳米SIM@ZIF-8的成功合成。之后通过流变学和力学测试结果印证了本研究合成的复合治疗平台具有一定的可注射性和机械强度。此外,由于SIM和生物活性Zn2+的持续释放,该治疗平台显示出良好生物相容性的同时又显著增强骨髓间充质干细胞的成骨分化能力和抑制成脂的效果。另一方面,在分子水平上其双向调控的相关机制可能与PPARγ和Wnt/β-CATENIN的相互串扰密切相关,该结论我们通过SD大鼠体内PCR及WB相关指标进一步证实。结论:SIM@ZIF-8/PEGDA/SA治疗平台不仅可以缓释SIM和ZIF-8中的Zn2+达到成骨降脂的双重目的,而且还具有优异的机械强度及良好的注射性和可塑性;因此该复合材料有望成为一种治疗高脂血症患者不规则骨缺损的综合性新方法。

关键词：金属有机框架高脂血症协同成骨可注射水凝胶骨组织工程

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