氨基酸酯取代聚膦腈促进成骨分化的分子机制研究

摘要

在骨组织工程的研究中，细胞支架的设计和制备是整个研究工作中的重中之重。高分子材料因其生物相容性、力学性能、微孔结构以及降解速率，并且这些性能都能够通过组成以及加工手段来精确调节等优势，在组织工程支架材料领域的应用远优于其他材料。而聚膦腈材料侧基结构可控，在适当的侧基组成下，对细胞具有良好的相容性和亲和性，在生物医用材料领域有着广泛的应用前景。一系列研究显示，氨基酸酯取代聚膦腈能诱导羟基磷灰石的形成，且能促进干细胞的成骨分化以及钙离子的沉积。然而，目前尚未有研究深入探索其成骨活性来源和成骨机制，只是猜想其促成骨能力来源于其结构单位中大量磷元素的存在。
　　为了探明氨基酸酯取代聚膦腈促成骨能力的分子生物学机制。本研究通过在聚膦腈主链上接枝甘氨酸乙酯、丙氨酸乙酯、苯丙氨酸乙酯三种不同的取代基，设计合成了三种具有不同降解速率的甘氨酸乙酯/丙氨酸乙酯(7∶3，G7B3)、甘氨酸乙酯/丙氨酸乙酯(3∶7，G3B7)及甘氨酸乙酯/苯丙氨酸乙酯(7∶3，G7BB3)共取代聚膦腈。首先，通过对比研究不同浓度无机磷酸盐(Pi)和不同浓度氨基酸酯取代聚膦腈全降解稀释液对骨髓间充质干细胞(rBMSCs)增殖和成骨分化的影响，以期探明氨基酸酯取代聚膦腈的促成骨能力与其降解产物的关系。其次，将rBMSCs直接接种在氨基酸酯取代聚膦腈膜表面，或者在材料存在下的非直接接触（Transwell小室）情况下进行培养，检测rBMSCs的增殖和成骨分化指标的表达情况，结合第一步的研究结果，深入讨论了随细胞培养时间推移，不同氨基酸酯取代聚膦腈实时降解产物对rBMSCs生物学行为的影响，以及不同氨基酸酯取代聚膦腈所具有的不同表面特性通过其接触效应对rBMSCs生物学行为的影响。
　　研究结果显示:(1)改变培养基中无机Pi的浓度，对rBMSCs的成骨分化速率有明显影响，在无机Pi浓度为10mM时，其促进作用达到最强;(2)将氨基酸酯取代聚膦腈全降解液中的磷酸根浓度，稀释至与无机Pi相同的浓度时，与后者相比，降解液中的氨基酸酯降解产物（即相应的氨基酸）能更进一步加速rBMSCs的成骨分化，其中，以丙氨酸乙酯侧基的降解产物的促进作用最强;(3)将rBMSCs与氨基酸酯取代聚膦腈采用Transwell培养小室进行非直接接触培养时，随着材料的水解降解，降解产物磷酸根和氨基酸逐渐进入培养基，由于几种材料的降解速度为G7B3＞G3B7＞G7BB3，相应地，G7B3表现出最强的促进成骨分化的能力;(4)但当rBMSCs直接在上述氨基酸酯取代聚膦腈上进行培养时，除了材料的降解产物，材料表面特性也会对细胞行为产生影响，其中，rBMSCs在G7BB3上表现出最强的成骨分化趋势;(5)此外，对比接触培养和非接触培养的结果，接触效应对rBMSCs生物学行为的影响程度显著大于单纯的降解溶出成分。分析原因可能一是因为实时降解产生的降解产物浓度不高，随着细胞培养过程中的换液，会被进一步稀释，因此在材料与细胞共培养中，降解产物的影响作用较弱;二是rBMSCs是一类贴壁生长型的细胞，它们受基底材料表面特性（包括化学特性）影响明显，而氨基酸酯取代聚膦腈膜表面具有能促进rBMSCs成骨分化的氨基酸和磷元素，所以表现出更显著的促进rBMSCs成骨分化的能力。
　　由此可见，氨基酸酯取代聚膦腈的成骨活性，其本质是来源于其具有促进成骨分化能力的化学组成，这不仅决定了氨基酸酯取代聚膦腈材料的表面是一种具有成骨相容性的生物活性表面，而且，随着材料水解所释放的磷酸根和氨基酸等产物，与材料表面的接触效应共同作用，使氨基酸酯取代聚膦腈成为一类非常有应用前景的骨组织工程支架材料。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 骨组织工程概述

1．1．1 骨组织

1．1．2 骨缺损

1．1．3 骨修复

1．1．4 骨组织工程

1．2 细胞支架

1．2．1 细胞支架的基本要求

1．2．2 细胞支架制备方法

1．2．3 细胞支架材料

1．3 聚膦腈

1．3．1 聚膦腈化学特性

1．3．2 生物可降解聚膦腈的合成和降解行为

1．3．3 生物可降解聚膦腈在骨组织工程领域的应用研究

1．4 本课题的提出

第二章 氨基酸酯取代聚膦腈的合成与结构表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器与设备

2．2．3 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 三种不同氨基酸酯取代聚膦腈的合成和表征

2．3．2 三种不同氨基酸酯取代聚膦腈的降解行为

2．3．3 三种不同氨基酸酯取代聚膦腈的全降解液的制备与表征

2．3．3 小结

第三章 磷酸盐及氨基酸酯取代聚膦腈全降解产物作用于rBMSCs的机制

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器与设备

3．2．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同浓度的磷酸盐对rBMSCs的增殖和分化的影响

3．3．2 不同浓度的氨基酸酯取代聚膦腈降解液对rBMSC增殖和分化的影响

3．3．3 磷酸根与G783、G387、G7BB3降解产物对BMSCs成骨分化的影响对比

3．3．4 小结

第四章 氨基酸酯取代聚膦腈作用于rBMSCs的机制

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验仪器与设备

4．2．3 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 rBMSC直接／间接接触氨基酸酯取代聚膦腈的增殖

4．3．2 rBMSCs直接／间接接触三种氨基酸酯取代聚膦腈的成骨分化

4．3．3 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介