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骨组织作为一种承重器官,其结构极其复杂,一旦受到严重的损伤将很难实现自我修复,而骨组织工程被认为是目前治疗大段骨缺损最有希望的途径之一。体外构建骨组织工程移植体时常采用适宜的灌注式生物反应器对三维(three-dimensional,3D)细胞-支架复合体进行一定时间的培养,以便获得具有更好修复效果的骨组织工程移植体。灌注培养一方面能够增强细胞-支架复合体内部的营养物质交换和氧运输;另一方面能够为细胞-支架复合体提供不同模式和强度的流体剪切力刺激,最终实现种子细胞在3D支架中的均匀分布、大量增殖和定向分化,但目前对这一过程中种子细胞生长率的理论建模还不完善,特别是种子细胞是干细胞时。在实验室前期研究的基础上,本文将大鼠骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)种植到适宜基质刚度(37.70±19.60 kPa)的3D脱细胞支架上,利用实验室自制的生物反应器施加不同模式和大小的流体剪切力刺激不同时间后。考察不同流体剪切力对MSCs增殖和成骨分化的影响;同时拟合流体剪切力对MSCs单个细胞生长率的影响,修正MSCs体外培养细胞单个细胞生长率的理论模型,为MSCs体外生长模型的建立提供理论基础。本文主要的研究结果如下:(1)不同流体剪切力对MSCs增殖和成骨分化的影响静态培养、0.015 Pa和0.0075 Pa流体剪切力刺激下,细胞数量随时间呈现先增多后减少的趋势,但出现峰值的时间点和峰值大小不同。静态培养条件下,细胞数量在第14 d达到峰值,为2.28?10~5,实现5.26±0.77倍增殖。单向流体剪切力作用下,0.0075 Pa组细胞数量在10 d达到峰值,其细胞数量为2.20?10~5,0.015 Pa细胞数量在7 d达到峰值为2.88?10~5。振荡流体剪切力作用下,各组细胞数量在14d达到峰值,分别为2.80?10~5(0.015 Pa)和2.26?10~5(0.0075 Pa)。当0.0225 Pa流体剪切力作用时,单向和振荡两种模式刺激下细胞数量随时间一直增加。灌注培养各组在各个时间点支架内细胞分布和胞外基质沉积均好于静态组。单向流体剪切力作用时细胞在支架中的分布较为集中,而振荡流体剪切力作用时细胞则能够较为均匀的分布在支架中,相同条件下振荡流体剪切力组胞外基质沉积好于单向流体剪切力组。流体剪切力作用能够促进MSCs分泌胶原,7 d时MSCs胶原分泌量最多,相同条件下振荡流体剪切力作用相较于单向流体剪切力作用促胶原分泌的效果更佳,而且同种模式下促胶原分泌的能力与剪切力大小呈正相关。免疫组化染色检测骨钙蛋白(osteocalcin,OCN)和骨桥蛋白(osteopontin,OPN)的表达时,结果显示单向和振荡两种流体剪切力促MSCs成骨分化的能力都随剪切力的增大而增强,且相同条件振荡流体剪切力促成骨分化的能力更强。(2)流体剪切力作用下MSCs单个细胞生长率理论模型的修正比较加载流体剪切力的各组与静态培养组单个细胞生长率的差异,建立流体剪切力对MSCs单个细胞生长率影响的理论模型,同时对观测样本整体分析后,建立回归分析模型,得到单向流体剪切力对MSCs单个细胞生长率影响的表达式g(?,t),以及振荡流体剪切力对MSCs单个细胞生长率影响的表达式f(?,t),从而实现流体剪切力作用下MSCs单个细胞生长率理论模型的修正。综上所述,本文考察流体剪切力对MSCs复合适宜基质刚度3D支架增殖和成骨分化的影响时发现,0.0225 Pa的振荡流体剪切力能够更好地促进MSCs的增殖和成骨分化。进一步建立了MSCs体外培养单个细胞生长率随时间和剪切力变化的数学模型,实现MSCs体外培养时单个细胞生长率理论模型的修正,该理论模型有望为优化MSCs体外培养条件提供理论依据。