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骨缺损的有效治疗一直以来是骨科临床面临的一个重大挑战,这也促使了科学家们对具有生物活性的骨移植材料长期探索和研发。受天然骨组织微纳结构启发,本课题设计组装了负载间充质干细胞(MSCs)的高仿生复合水凝胶,创造性的在甲基丙烯酸化明胶水凝胶(gelatin methacrylate)中共混两种骨矿物一纳米羟基磷灰石(HAP:Ca10(PO4)6(OH)2)和白磷钙石(WH:Ca18Mg2(HP04)2(PO4)12),从而构建了具有类似天然骨组成和结构的生物活性三维仿生复合纳米骨组织工程材料。我们成功的合成了纳米HAP和纳米WH,确定促进MSCs增殖最佳纳米HAP和纳米WH浓度为100μg/mL。有趣的是,在相同的纳米HAP和纳米WH浓度下(100μg/mL),复合水凝胶拥有成骨分化的最适物理微环境(弹性模量约25 kPa)。封装的MSCs在第1,3和7天都表现出高活性,存活率大于90%,证实了复合水凝胶良好的生物相容性。此外,在探索分析仿生复合水凝胶微环境内最优HAP和WH比例的实验过程中,间充质细胞铺展,活性,增殖,分化和新骨形成的实验结果都一致表明75%HAP+25%WH组仿生复合水凝胶具备最大程度的成骨活性和最佳诱导新骨形成的能力。PCR和免疫荧光的结果表明,75%HAP+25%WH组仿生复合水凝胶成骨基因和蛋白碱性磷酸酶(ALP),骨钙素(OCN),骨桥蛋白(OPN)和RUNX2转录因子(RUNX2)表达量都大幅提高。其潜在的机制得到了初步证明:HAP调控水凝胶的机械强度,WH调控水凝胶的生物活性,在机械强度和生物活力的协同作用下,75%HAP+25%WH复合水凝胶表现出了最优异的生物学性能。为了进一步筛选并确定更精准的纳米HAP和纳米WH比例范围,我们测试分析比较五组复合水凝胶 65%HAP+35%WH,70%HAP+30%WH,75%HAP+25%WH,80%HAP+20%WH,85%HAP+25%WH的成骨活性,成骨相关标记物。体外实验结果表明,在仿生复合水凝胶中更精确的最优纳米HAP和纳米WH比例范围可以定义为HAP占80%-75%,而WH占20%-25%。仿生复合纳米水凝胶具有和天然骨组织相似的结构和组成,为干细胞附着,增殖和分化提供了合适微环境,在骨组织工程方面的应用有着巨大的潜能。