负载BMP-2小分子活性肽的介孔二氧化硅纳米微球结合煅烧骨支架材料诱导骨再生的实验研究

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第一部分 BMP-2小分子活性多肽P28体外诱导MC3T3-E1细胞增殖及成骨分化能力的评价目的 通过比较P28和rhBMP-2对小鼠成骨细胞前体细胞MC3T3-E1增殖及成骨分化活力的影响,评价P28发挥诱导成骨分化的能力。方法 分别使用P28或rhBMP-2对MC3T3-E1细胞进行干预,不添加任何生长因子的 ·空白组作为对照,培养1、3、5天后使用钙黄绿素对细胞进行染色,荧光显微镜观察各组细胞活力及增殖趋势;培养1、3、5、7天后采用MTT法检测各组细胞的增殖活力;培养7、14天后使用ALP染色液对细胞进行染色,显微镜下定性观察各组细胞ALP活性,同时采用ALP定量检测试剂盒定量评价各组细胞ALP活性;培养14、21天后使用茜素红染色液对钙结节进行染色,显微镜下观察各组细胞钙结节生成情况;培养1、3、7天后,Real-Time PCR检测Runx2、OCN、ColⅠ基因的表达情况,Western blot检测Runx2、p-Smad1/5/8、OCN、ColⅠ蛋白表达量,观察各组细胞成骨分化活性。结果钙黄绿素染色后在荧光显微镜下观察结果和MTT法检测结果显示P28组和rhBMP-2组细胞活力和增殖趋势明显高于空白组,差异有统计学意义(p<0.05),P28组与rhBMP-2组之间无显著差异(p>0.05);ALP染色和ALP定量检测结果显示P28组和rhBMP-2组细胞ALP活性明显高于空白组,差异有统计学意义(P<0.05),P28组与rhBMP-2组之间无显著差异(P>0.05);茜素红染液钙结节染色结果显示P28组和rhBMP-2组的钙结节明显多于空白组,P28组与rhBMP-2组之间无明显区别;Real-Time PCR检测和Western blot检测结果显示P28组与rhBMP-2组较空白组相比,成骨分化相关基因Runx2、OCN、ColⅠ表达明显增高,成骨分化相关蛋白Runx2、p-Smad1/5/8、OCN、ColⅠ表达量明显增高,rhBMP-2组略高于P28组,但无显著统计学差异。结论P28可以通过BMP-2信号通路中的Smad信号通路来实现对MC3T3-E1细胞增殖和成骨分化的促进与调控,同时P28具有与rhBMP-2接近的诱导成骨分化的良好生物活性。第二部分 煅烧骨/介孔二氧化硅纳米颗粒/P28复合材料的制备、理化性质及其体外控释的实验研究目的 探讨煅烧骨/介孔二氧化硅纳米颗粒/P28复合材料的制备方法及理化性质,并评价其体外释放动力学。方法 制备介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN),采用透射电子显微镜(TEM)、Brunauer-Emmett-Teller(BET)法及 Barrett-Joyner-Halenda(BJH)法对制备的 MSN进行鉴定;按照不同的P28:MSN质量比例(1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4)确定P28与MSN之间适宜的投药比例;制备煅烧骨(TBC)和TBC/MSN支架材料,通过三维视频显微镜、场发射扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪对两种材料的理化性质进行比较,以确定MSN是否能够良好的与TBC材料复合;用TBC和TBC/MSN两种材料分别负载3 mg P28,计算TBC/P28和TBC/MSN/P28两种复合材料所能负载的P28量,随后将两种复合材料置于恒温水浴摇床,按照第1、2、3、5、7、10、12、14、18、21和30天的时间点提取释放液测量P28释放量,比较两种支架材料负载P28的体外释放对力学。结果 制备的MSN粒径主要分布在180 ±30 nm,比表面积高达702.7 m2/g,表面孔径主要为4 nm,孔容积为0.8 cm3/g,具有良好的介孔结构和充足的载药空间;选取质量比为P28:MSN = 1:3作为较为适宜的投药比例进行药物负载,包封率达到81.88±4.44%;TBC和TBC/MSN材料的三维视频显微镜、SEM及能谱结果显示MSN较为理想的附着在TBC材料内部,分布较为均匀,并且不会对TBC良好的孔隙结构产生较大的影响;TBC/P28和TBC/MSN/P28两种复合材料对P28的负载量分别可以达到80%和98%左右,同时TBC/MSN/P28较TBC/P28释放更为缓慢和持久(p<0.05)。结论 MSN可以作为P28良好的载体材料,并且可以较为理想的与TBC支架材料相结合,并在体外环境实现对P28的长期、缓慢的释放。第三部分 煅烧骨/介孔二氧化硅纳米颗粒负载P28体外诱导MC3T3-E1细胞粘附、增殖及成骨分化的实验研究目的 通过比较 MC3T3-E1 细胞在 TBC、TBC/MSN、TBC/P28 和 TBC/MSN/P28四组材料上的粘附、增殖以及成骨分化情况,评价TBC/MSN/P28对MC3T3-E1细胞发挥诱导成骨分化的能力。方法 TBC和TBC/MSN两种材料分别负载2 mg P28,然后将实验分为TBC组、TBC/MSN组、TBC/P28组和TBC/MSN/P28组,将MC3T3-E1细胞分别种植在四组材料上,培养24小时后通过间接的细胞计数法检测四组材料上的细胞粘附率;培养3天后使用钙黄绿素和碘化丙啶对细胞染色,通过激光共聚焦显微镜观察四组材料上细胞的活力及分布趋势;培养2、4、6、8天后通过MTT法检测各组材料上细胞的增殖活力;培养5、10、15天后采用ALP定量检测试剂盒检测四组材料上细胞向成骨细胞分化的情况。结果 MC3T3-E1细胞在TBC/P28组和TBC/MSN/P28组的粘附率要明显高于TBC组和TBC/MSN组,差异有统计学意义(p<0.05),TBC/P28组与TBC/MSN/P28组间无显著统计学意义(p>0.05);钙黄绿素和碘化丙啶染色后通过激光共聚焦显微镜观察显示TBC/P28组和TBC/MSN/P28组支架材料上的细胞数量明显多于TBC组和TBC/MSN组;MTT法检测结果显示整个培养周期中TBC/P28组和TBC/MSN/P28组的细胞数量明显高于TBC组和TBC/MSN组,差异具有统计学意义(P<0.05),当培养第6和8天时,TBC/MSN/P28组细胞数量开始高于TBC/P28组,差异具有统计学差异(p<0.05);ALP定量检测试剂盒检测结果显示整个培养周期中TBC/P28组和TBC/MSN/P28组的ALP活性均明显高于TBC组和TBC/MSN组,差异具有统计学意义(p<0.05),培养第15天时,TBC/MSN/P28组明显高于TBC/P28组,差异具有统计学意义(P<0.05)。结论 四组材料均具有良好的生物相容性,TBC/P28和TBC/MSN/P28相比TBC和TBC/MSN进一步表现出了对细胞的趋化、促进增殖和分化的能力。TBC/MSN/P28复合材料所具备的缓释性能可以更好地促进P28发挥成骨诱导活性。第四部分 煅烧骨/介孔二氧化硅纳米颗粒负载P28修复兔桡骨临界性骨缺损能力的实验研究目的 评价 TBC/MSN/P28复合材料修复兔桡骨临界性骨缺损的能力,进一步探讨该复合材料在体内环境修复大范围骨缺损的能力。方法 TBC和TBC/MSN两种材料分别负载7.5 mg P28,然后将实验分为四组:TBC、TBC/MSN、TBC/P28和TBC/MSN/P28,20新西兰大白兔随机分为4组,制备双侧桡骨中段15 mm临界性骨缺损,并分别植入上述材料。术后6周和12周,各组均随机取材5个桡骨标本,行大体观、X线检查、CT三维重建观察缺损愈合情况,随后行组织学切片HE、Masson染色,观察新生骨组织生长情况,并借助Image-Pro Plus v6.0对新生骨组织量化,进一步评价骨缺损修复情况。结果大体观、X线检查及CT三维重建结果显示TBC组6周时材料形状清楚,无明显骨痂生成,12周时材料有所降解,仍无明显骨痂形成,材料与宿主骨间无明显融合;TBC/MSN组6周和12周所见与TBC组相似;TBC/P28组6周时材料密度有所增高,材料与宿主骨间可见少量新生骨组织生成,12周时材料形状消失,表面有大量骨痂包裹,材料与宿主骨间有新生骨组织连接,缺损区基本消失;TBC/MSN/P28组6周时材料密度增高,表面有少量骨挪包裹,与宿主骨间有新生骨组织形成,12周时材料完全被骨痂包裹,与宿主骨间大量新生骨组织连接,融合良好,缺损区完全消失。组织学切片HE及Masson染色可见TBC组6周时无新生骨组织形成,12周时仅有极少量新生骨组织生产;TBC/MSN组所见与TBC组相似;TBC/P28组和TBC/MSN/P28组6周已有大量新生骨组织生成,明显多于TBC/MSN组和TBC组12周所见,12周时新生骨组织继续增多并充满材料孔隙内部,骨组织较6周时进一步成熟。TBC/P28组和TBC/MSN/P28组明显高于TBC/MSN组和TBC组,有显著统计学差异(p<0.05),6周时TBC/MSN/P28组与TBC/P28组无明显统计学差异(p>0.05),但12周时TBC/MSN/P28组高于TBC/P28组,有显著统计学差异(p<0.05)。结论TBC/MSN/P28复合材料能够缓慢释放具有骨诱导活性的生长因子P28,发挥稳定长效的成骨作用,是一种较为理想的骨组织工程修复材料。
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