镁合金支架对成骨细胞功能的影响

中国组织工程研究第20卷第34期2016–08–19出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchAugust19,2016Vol.20,No.34ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH5021·研究原著·王勇平，男，1975年生，甘肃省宁县人，汉族，博士、博士后，副主任医师，主要从事关节外科及骨科生物材料研究。通讯作者：何耀华，主任医师，上海交通大学附属第六人民医院骨科，上海市200233中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)34-05021-06稿件接受：2016-05-23镁合金支架对成骨细胞功能的影响王勇平1，刘小荣2，张炳春3，何耀华4(1兰州大学第一医院骨科，甘肃省兰州市730000；2甘肃省第二人民医院检验科，甘肃省兰州市730000；3中国科学院金属研究所，辽宁省沈阳市110016；4上海交通大学附属第六人民医院骨科，上海市200233)引用本文：王勇平，刘小荣，张炳春，何耀华.镁合金支架对成骨细胞功能的影响[J].中国组织工程研究，2016，20(34):5021-5026.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.34.001ORCID:0000-0002-0663-0375(何耀华)文章快速阅读：文题释义：镁合金支架材料：可降解；弹性模量接近人骨，能有效降低应力遮挡效应；良好的生物相容性；是人体不可缺少的重要营养元素，几乎参与人体内所有新陈代谢过程，如参与蛋白质合成、能激活体内多种酶、调节神经肌肉和中枢神经系统活动等。因此，镁合金具备成为骨组织工程支架材料的潜力。MC3T3-E1细胞：是小鼠前成骨细胞系，该细胞系具备体外培养成骨细胞的各种生物学特性，包括碱性磷酸酶活性、Ⅰ型胶原合成和基质矿化等，可作为良好的成骨细胞体外模型系统。摘要背景：课题组在前期研究的基础上，将镁合金加工成多孔支架。目的：探讨镁合金多孔支架对成骨细胞功能的影响。方法：分别将镁合金多孔支架、纯镁多孔支架与成骨细胞MC3T3-E1共培养，培养6，12，24h，通过吖啶橙染色观察成骨细胞在支架表面的黏附能力；培养1，3，5d，利用MTT法评价成骨细胞在支架表面的增殖能力；培养21d，采用钙黄绿素染色观察支架对成骨细胞矿化功能的影响。结果与结论：镁合金多孔支架组培养24h的黏附细胞数量多于纯镁多孔支架组(P0.05)，培养3，5d的细胞增殖数量多于纯镁支架组(P0.05)，培养21d的支架表面矿化结节数量及面积大于纯镁多孔支架组(P0.05)。结果表明，多孔镁合金多孔支架能促进成骨细胞的黏附、增殖及矿化，具有良好的生物功能性。关键词：生物材料；骨生物材料；镁合金支架；成骨细胞；黏附；增殖；矿化；国家自然科学基金主题词：镁；成骨细胞；组织工程基金资助：兰州大学第一医院科研基金资助项目(ldyyyn2013-01)；国家自然科学基金资助项目(81271961，81572106)EffectofmagnesiumalloyscaffoldsonosteoblastfunctionWangYong-ping1,LiuXiao-rong2,ZhangBing-chun3,HeYao-hua4(1DepartmentofOrthopedics,FirstHospitalofLanzhouUniversity,Lanzhou730000,GansuProvince,China;2DepartmentofLaboratory,SecondPeople’sHospitalofGansu,Lanzhou730000,GansuProvince,China;3InstituteofMetalResearch,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,LiaoningProvince,China;4DepartmentofOrthopedics,SixthAffiliatedPeople’sHospitalofShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200233,China)镁合金多孔支架如何影响成骨细胞的黏附、增殖及矿化能力镁合金多孔支架纯镁多孔支架成骨细胞MC3T3-E1成骨细胞MC3T3-E1培养6，12，24h，通过吖啶橙染色观察成骨细胞在支架表面的黏附能力；培养1，3，5d，利用MTT法评价成骨细胞在支架表面的增殖能力；培养21d，采用钙黄绿素染色观察支架对成骨细胞矿化功能的影响结果表明，多孔镁合金多孔支架能促进成骨细胞的黏附、增殖及矿化，具有良好的生物功能性王勇平，等.镁合金支架对成骨细胞功能的影响P.O.Box10002,Shenyang110180:HeYao-hua,Chiefphysician,DepartmentofOrthopedics,SixthAffiliatedPeople’sHospitalofShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200233,ChinaAbstractBACKGROUND:Onthebasisofthepreviousstudies,themagnesiumalloyisprocessedintoporousscaffolds.OBJECTIVE:Toinvestigatetheeffectofporousmagnesiumalloyscaffoldsonosteoblastfunction.METHODS:MC3T3-E1osteoblasticcelllineswereseededontheporousmagnesiumalloyscaffoldorporouspuremagnesiumscaffold,respectively.After6,12and24hoursofincubation,theadhesionabilityofosteoblastsonthescaffoldwasobservedbyacridinecrangestaining.At1,3and5daysafterincubation,theproliferationabilityofosteoblastsonthescaffoldwasevaluatedbyMTTassay;after21-dayincubation,themineralizationofosteoblastswasinvestigatedusingcalceinstaining.RESULTSANDCONCLUSION:Thenumberofosteoblastsadherenttotheporousmagnesiumalloyscaffoldwassignificantlymorethanthatadherenttotheporouspuremagnesiumscaffoldafter24-hourincubation(P0.05).Andtheproliferationassayshowedthatasignificantlyhigherabsorbancewasobservedontheporousmagnesiumalloyscaffoldthanthatoftheporouspuremagnesiumscaffoldafter3and5daysofincubation(P0.05).Moreover,thenumberandareaofmineralizednodulesformedonthetheporousmagnesiumalloyscaffoldweregreaterthanthoseontheporouspuremagnesiumscaffoldafter21-dayincubation(P0.05).Theseresultsshowthattheporousmagnesiumalloyscaffoldwithanexcellentbioactivitycanpromotetheadhesion,proliferationandmineralizationabilitiesofosteoblasts.Subjectheadings:Magnesium;Osteoblasts;TissueEngineeringFunding:theScientificResearchFoundationoftheFirstHospitalofLanzhouUniversity,No.ldyyyn2013-01;theNationalNaturalScienceFoundationofChina,No.81271961,81572106Citethisarticle:WangYP,LiuXR,ZhangBC,HeYH.Effectofmagnesiumalloyscaffoldsonosteoblastfunction.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(34):5021-5026.0引言Introduction骨损伤及骨疾病导致的大块骨缺损是骨科临床面临的难题，传统的治疗方法主要有自体骨移植、异体骨移植、人工骨移植及骨移位等，但这些治疗方法均存在一定的缺点。骨组织工程技术为大块骨缺损修复提供了新的方向，成为目前研究的热点[1-4]。组织工程支架是骨组织工程基本要素之一[5-6]。如何开发具有优良生物活性及适宜力学性能的支架材料，是该领域亟待解决的问题。理想的骨组织工程支架应满足以下基本条件[7]：容易手术操作；支架材料的吸收速率与骨生长速率匹配；可用于形状不规则的骨缺损部位；具有骨传导及骨诱导能力；保证精确的力学性能；能促进骨质沉着；能促进骨生长；可防止软组织向移植物-骨组织界面生长；呈泡沫状，平均孔径在200-400μm之间；对周围组织无不良影响。现有支架材料多为聚合物，包括天然聚合物和人工合成聚合物[8]。天然聚合物支架如胶原等，具有表面亲水性，与细胞能相互作用；人工合成聚合物支架如聚羟基乙酸等，具有形态、降解速度易调控的特点，表面为疏水性，缺乏细胞识别信号。目前现有的聚合物支架材料均存在脆性大、力学强度差的缺点，难以完全满足骨缺损修复承载重量的要求。目前为止，骨组织工程支架尚未涉及金属材料。由于金属材料具有强度大、韧性佳等优良的力学特性，因此，能否研发金属骨组织工程支架材料成为骨组织工程技术领域研究的新课题。临床常用的金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等，但这些材料均为不降解材料，不符合支架材料的基本要求。镁合金材料具有以下突出优点[9-25]：可降解；弹性模量接近人骨，能有效降低应力遮挡效应；良好的生物相容性；是人体不可缺少的重要营养元素，几乎参与人体内所有新陈代谢过程，如参与蛋白质合成、能激活体内多种酶、调节神经肌肉和中枢神经系统活动等。因此，镁合金具备成为骨组织工程支架材料的潜力。课题在前期研究的基础上[26-30]，将镁合金加工成多孔支架，将MC3T3-E1细胞与镁合金支架共培养，观察其对MC3T3-E1细胞黏附、增殖及矿化功能的影响，初步评价其对成骨细胞生物功能性的影响。1材料和方法Materialsandmethods1.1设计体外细胞观察实验。1.2时间及地点实验于2012年1月至2013年1月在上海交通大学附属第六人民医院完成。1.3材料AZ31镁合金由中国科学院金属研究所提供，其中Al含量为1.92%，Zn含量为0.74%，Mn含量为0.35%，Si含量为0