梯度矿化水凝胶诱导BMSCs构建骨软骨复合体的研究

【摘要】：目的:制备梯度矿化水凝胶,复合兔骨髓间充质干细胞(Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells,BMSCs)并诱导其向骨和软骨分化,最终构建骨软骨复合体,为关节软骨损伤修复提供一个更好的思路。方法:1)梯度矿化水凝胶的制备及表征:采用化学交联和离子交联的方法构建双网络水凝胶,并将其分别放入5%、10%、15%的CaCl_2NaH_2PO_4矿化液里进行仿生矿化,制备不同矿化程度的水凝胶(未矿化水凝胶、5%矿化水凝胶、10%矿化水凝胶、15%矿化水凝胶、梯度矿化水凝胶)。采用扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscope,SEM)、万能力学试验机(Universal Mechanical Testing Machine)、傅里叶转换红外光谱分析仪(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)、X射线衍射仪(X-ray Diffraction,XRD)对水凝胶材料表面形貌、化学键及力学强度进行表征。2)梯度矿化水凝胶的细胞相容性及诱导BMSCs成骨成软骨性表征:BMSCs与不同矿化程度的水凝胶共培养不同时间后。通过CCK-8、AO/EB、茜素红染色(Alizarin Red)、阿利新蓝染色(Alcian Blue)和免疫荧光染色(Immunofluorescence,IF)研究水凝胶的细胞相容性和不同梯度矿化水凝胶诱导BMSCs成骨成软骨细胞分化的状况。结果:1)SEM结果显示水凝胶矿化程度越高,白色钙结节越明显;FTIR、XRD结果显示海藻酸钙和聚丙烯酰胺的特征吸收峰,矿化程度越高,羟基磷灰石的特征衍射峰越强;Stress-strain测试结果显示不同程度矿化的水凝胶的压缩强度从30 KPa到380 KPa不等,完全满足关节软骨由表层到深层力学强度逐渐增加的需求。2)CCK-8、AO/EB结果显示水凝胶组细胞存活率大于90%,细胞的生长状态优良,水凝胶的细胞相容性良好,材料近乎无毒性;Alizarin Red染色、Alcian Blue染色、IF染色结果显示水凝胶矿化程度越高,BMSCs分化成骨细胞量越多,矿化程度越低甚至无矿化,BMSCs分化成软骨细胞量越多。结论:不同弹性模量和矿化程度的梯度矿化水凝胶可以诱导BMSCs分化成由软骨到骨梯度变化的骨软骨复合体。为关节软骨组织由软骨表面到软骨下骨的强度的梯度变化及其再生应用提供新的思路。