山东大学Nano Lett.: 生物材料表面纳米柱阵列调控骨组织修复

【引言】

骨缺损导致患者运动障碍、功能缺失甚至危及生命。由于自体骨的来源有限，异体骨有排异性，骨修复与再生一直是医学难题。以干细胞、支架材料和生长因子为主要构成元素的组织工程方法是这一难题的最有前途的解决方式。其中，调控干细胞向成骨细胞分化，是实现新骨形成、骨组织重建的关键。利用特殊蛋白对干细胞分化进行调控的方法，因蛋白价格来源少、价格高、容易失活，且调控耗周期长，难以实用化。近年来发现利用材料表面纳米结构可以实现可靠、快速、持久且位置可控的干细胞分化的精准调控，这种干细胞的物理调控方法为骨修复提供了重要的途径。然而，目前为止，很少有人利用生物可降解材料构建纳米结构，实现纳米结构调控的干细胞成骨分化和骨组织修复过程。

【成果简介】

近日，山东大学刘宏、刘铎和山东大学齐鲁医院刘超（共同通讯）等人利用市售的不同型号的多孔阳极氧化铝（AAO）作为模板，采用简便易行的微压印的方法在聚乳酸（PLA）薄膜表面构建了不同直径的纳米柱阵列。通过对人的脂肪来源间充质干细胞（hADSCs）在PLA纳米柱阵列上的分化行为的研究，发现在不使用任何化学或者生物诱导条件下，hADSCs在不同直径的纳米柱表面结构上表现出完全不同的分化能力。研究发现，直径为200 nm的纳米柱阵列最能促进脂肪间充质干细胞向成骨分化，动物实验也证实了这种PLA纳米柱阵列材料可以实现异位成骨。相关成果以题为“Polylactic Acid Nanopillar Array-Driven Osteogenic Differentiation of Human Adipose-Derived Stem Cells Determined by Pillar Diameter”发表在Nano Letters上。

【图文导读】

图1 不同纳米柱直径聚乳酸阵列的形貌图及其生物相容性测试

a-c） 聚乳酸平片的表面形貌；

d-f，g-h，j-l） 直径分别为100 nm、200 nm和300 nm的AAO模板及其对应制备的PLA纳米柱阵列形貌；m-x. hADSCs在不同纳米柱直径阵列上的活死细胞染色；

y-z） hADSCs在不同衬底上的铺展示意图及cck-8测试结果。

图2 hADSCs在不同纳米柱直径聚乳酸阵列上的铺展形貌

a-f）hADSCs在聚乳酸平片上的铺展形貌；

g-l） hADSCs在纳米柱直径为100 nm衬底上的铺展形貌；

m-r） hADSCs在纳米柱直径为200 nm衬底上的铺展形貌；

s-x） hADSCs在纳米柱直径为300 nm衬底上的铺展形貌。

图3 hADSCs在不同纳米柱直径聚乳酸阵列上培养21天后成骨相关基因的q-PCR测试结果

a）不同培养衬底上hADSCs的ALP蛋白含量；

b） 不同培养衬底上hADSCs的Runx2基因表达；

c）不同培养衬底上hADSCs的OPN基因表达；

d） 不同培养衬底上hADSCs的OCN基因表达；

e） 不同培养衬底上hADSCs的茜素红染色结果。

图4 hADSCs在不同纳米柱直径聚乳酸阵列上培养21天后成骨相关蛋白的荧光免疫染色结果

a-j） 不同培养衬底上hADSCs的OPN免疫荧光染色结果；

k-t） 不同培养衬底上hADSCs的OCN免疫荧光染色结果。

图5 异位成骨组织切片的ALP免疫组织化学染色和H&E染色结果

a）PLA平片上异位成骨组织切片的ALP免疫组织化学染色结果；

b）纳米柱直径为200 nm的PLA纳米柱阵列上异位成骨组织切片的ALP免疫组织化学染色结果；

c）PLA平片上异位成骨组织切片的H＆E染色结果；

d）纳米柱直径为200 nm的PLA纳米柱阵列上异位成骨组织切片的H＆E染色结果。

【小结】

该研究指出，三种纳米柱阵列材料（柱体直径分别为100 nm，200 nm和300 nm）具有程度不同的成骨诱导能力，而PLA平片基本不具备成骨诱导能力。且仅在培养48 h后，不同衬底上hADSCs的形态就产生了很大差异，在聚乳酸平片及其他衬底上的干细胞仍呈梭形，而直径为200 nm的PLA纳米柱阵列材料上的细胞已呈现成骨细胞特征多边形结构。培养21天后的基因和蛋白测试结果也表明直径为200 nm的PLA纳米柱阵列材料具有最强的成骨分化促进效果，且在异位成骨中也能富集更多与成骨相关的蛋白。因此，该研究利用生物可降解材料构建纳米结构，推进了纳米结构调控的干细胞成骨分化和骨组织修复过程。

文献链接：Polylactic Acid Nanopillar Array-Driven Osteogenic Differentiation of Human Adipose-Derived Stem Cells Determined by Pillar Diameter (Nano Lett., 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04747)

本文由山东大学刘宏课题组提供，特此感谢！

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