材料性质调控干细胞成骨分化及壳聚糖基骨修复材料

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1、材料性质调控干细胞成骨分化及壳聚糖基骨修复材料(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：刘旭杰指导教师：冯庆玲教授二○一五年三月MaterialPropertiesDirectOsteogenicDifferentiationofStemCellsandChitosan-basedBoneRepairMaterialsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctor

2、ofPhilosophyinMaterialsScienceandEngineeringbyLiuXujieDissertationSupervisor::ProfessorFengQinglingMarch,2015摘要摘要本论文研究工作围绕骨组织工程中材料与细胞、材料与生长因子之间的相互关系开展，重点研究了材料性质对间充质干细胞成骨分化的影响以及载BMP-2多肽的壳聚糖基骨修复材料。采用等离子体聚合的方法，分别以烯丙基胺（AAm）、丙烯酸（AAc）、1,7-辛二烯（OD）和乙醇（ET）为单体，制备了分别富含氨基（–NH2）、羧基（–COOH

3、）、甲基（–CH3）和羟基（–OH）的表面。研究了体外培养在这些表面上的脂肪干细胞（hASCs）的行为，尤其是干细胞的成骨分化。在此基础上，通过控制等离子体聚合过程中1,7-辛二烯（OD）和烯丙基胺（AAm）的用量，制备并表征了氨基含量逐渐变化的化学梯度表面，探索等离子体聚合改性表面影响脂肪干细胞分化的相关机理。结果表明，氨基表面能促进hASCs的贴附、铺展、增殖以及成骨分化。其可能的机理是表面化学性质通过与血清蛋白作用来影响hASCs的行为，而不是直接与细胞相互作用，ERK1/2可能是涉及表面化学性质影响干细胞分化的信号通路。制备了直径约为3

4、0nm的单分散纳米银粒子，并研究了不同浓度纳米银（0、10、50和100μg/mL）对人间充质干细胞（hMSCs）成骨分化的影响。存在于hMSCs中的纳米银不影响其细胞周期、碱性磷酸酶（ALP）活性、骨钙素（OC）基因表达、骨桥蛋白（OPN）表达以及体外矿化钙结节的形成，表明纳米银不影响hMSCs的成骨分化能力。这些结果为纳米银在骨组织工程中的应用，尤其是作为抗菌剂加入骨组织工程支架/植入物的应用提供积极的参考意义。在壳聚糖基骨修复材料载BMP-2多肽研究中，先通过2-亚氨基硫烷盐酸盐对壳聚糖进行巯基改性。然后将巯基化壳聚糖与末端为半胱氨酸的B

5、MP-2多肽P24反应，制备接枝多肽的壳聚糖（CS-P24），再与羟基磷灰石粉（HA）复合，制备CS-P24/HA复合支架。同时将制备所得水溶性巯基化壳聚糖（CS-TBA）与β-甘油磷酸钠（β-GP）和羟基磷灰石（HA）复合，制备CS-TBA/β-GP/HA温敏性凝胶体系。巯基化壳聚糖凝胶体系具有多孔结构，羟基磷灰石均匀分布其中；具有合适的降解速率以及较低的细胞毒性；由于巯基化凝胶体系中的巯基与BMP-2多肽P24中的巯基发生反应，可以减缓BMP-2多肽的释放。关键词：骨组织工程；间充质干细胞；等离子体聚合；纳米银；壳聚糖IAbstractAb

6、stractTheinteractionbetweenbiomaterialsandcells,andtherelationshipbetweenbiomaterialsandgrowthfactorinvolvedinbonetissueengineeringareofsignificantimportance.Inthisstudy,theeffectofmaterialspropertiesontheosteogenicdifferentiationofmesenchymalstemcellsandthechitosanbasedbone

7、repairmaterialsforthedeliveryofBMP-2peptidewereinvestigated.Allylamine(AAm),acrylicacid(AAc),1,7-octadiene(OD)andethanol(ET)wereusedasprecursorsforplasmapolymerizationinordertogeneratethinfilmsrichinamine(–NH2),carboxyl(–COOH),methyl(–CH3)andhydroxyl(–OH)functionalgroups,res

8、pectively.Theeffectsofsurfacechemicalcompositionsonthebehavior,especiallyth