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人胚胎干细胞(hESCs)具有无限增殖能力和全能分化潜能,是理想的组织工程细胞来源,可用于各类组织的病变或损伤性疾病的治疗。诱导胚胎干细胞定向分化的常用手段包括转基因技术、细胞共培养、使用外源性细胞因子或化学试剂等。本文首次报道了在不使用促分化化学试剂和／或外源性细胞因子的培养条件下,完全依靠生物材料的物理化学性质成功实现了hESCs在体内外向末端细胞的诱导分化。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为致孔剂,合成了聚乙二醇-co-6-丙烯酰氨基己酸(PEG-co-A6ACA)多孔水凝胶支架,然后通过有机模板调控无机相生长的方法对其进行仿生矿化,制备了新型的PEG-co-A6ACA多孔矿化水凝胶支架材料。该水凝胶支架具有疏松且高度连通的多孔结构,孔道表面均匀覆盖了磷酸钙晶体层。将hESCs接种到该水凝胶支架内,并在普通生长培养液中培养,结果显示PEG-co-A6ACA多孔矿化水凝胶具有良好的生物相容性,能对hESCs的体外成骨分化起到明显的促进作用。其表现为矿化支架上培养的hESCs的Runx2、OPN和OCN基因水平明显上调,骨钙素蛋白表达升高；而非矿化支架上的hESCs则无相应的成骨分化表现。将hESCs-水凝胶支架复合物埋植于免疫缺陷小鼠皮下八周后无畸胎瘤形成。经显微CT和免疫组化染色分析,发现矿化水凝胶支架内的hESCs在宿主内钙化形成了致密骨组织；而非矿化水凝胶支架内的hESCs则形成了脂肪细胞。因此,所制备的矿化水凝胶支架具有显著的成骨诱导能力。在上述研究结果的基础上,进一步对比研究了hESCs和人间充质干细胞(hMSCs)在异位成骨过程中的骨质变化情况,发现两组不同种子干细胞的成骨过程都是软骨内骨化方式,即由干细胞先向软骨细胞分化,再经历肥大软骨细胞最后矿化成骨的过程。细胞-材料间相互作用调控干细胞分化的方法可作为再生医疗领域研究中的一种强有力工具。仿生材料,如本文中制备的PEG-co-A6ACA多孔矿化水凝胶支架作为细胞载体,不仅可以为细胞生长提供物理空间支持,更能对干细胞分化的生物学行为起到重要的诱导作用。本文利用多孔矿化水凝胶的材料性质成功诱导hESCs完成体内外的定向成骨分化,该研究成果对生物材料、干细胞工程、再生医疗和骨组织工程等领域都具有重要的意义。