镁锶共掺杂羟基磷灰石矿化胶原的构建与体外促成骨活性研究

摘要

目的 探讨镁锶共掺杂羟基磷灰石矿化胶原（magnesium-strontium co-doped hydroxyapatite mineralized collagen, MSHA/Col）在改善骨修复微环境、提升骨再生能力方面的效果，为解决传统羟基磷灰石矿化胶原（hydroxyapatite mineralized collagen, HA/Col）支架组分仿生度不足与生物活性有限的问题提供思路。方法 制备高分子量聚丙烯酸稳定的镁锶共掺杂无定形磷酸钙前驱体（high-molecular-weight polyacrylic acidstabilized amorphous calcium magnesium strontium phosphate precursor, HPAA/ACMSP），通过高分辨率透射电子显微镜和能谱仪表征HPAA/ACMSP形貌及元素分布。将重组胶原海绵块于HPAA/ACMSP矿化液中浸泡，诱导镁锶共掺杂羟基磷灰石在胶原纤维内沉积（实验组：MSHA/Col；对照组：HA/Col），扫描电子显微镜观察MSHA/Col形貌特征，通过X射线衍射和傅里叶红外光谱解析其晶体结构与化学组成，通过热重分析评估其矿物相占比，并测定支架的孔隙率、离子释放及体外降解性能。细胞学实验采用CCK-8法、活/死细胞染色、碱性磷酸酶染色、茜素红染色、RT-qPCR及蛋白质免疫印迹法，分别评估MSHA/Col支架对小鼠胚胎成骨细胞前体细胞系（MC3T3-E1）细胞增殖、存活、成骨分化早期活性、晚期矿化能力以及关键成骨标志物[Runt相关转录因子2（runt-related transcription factor 2, Runx2）、Ⅰ型胶原（collagen typeⅠ，Col-Ⅰ）、骨桥蛋白（osteopontin, Opn）、骨钙素（osteocalcin, Ocn）]基因和蛋白表达水平的影响。结果 HPAA/ACMSP在透射电镜下呈非晶态球形纳米颗粒，能谱分析显示碳、氧、钙、磷、镁、锶元素均匀分布。MSHA/Col的扫描电子显微镜结果表明成功实现完全纤维内矿化，元素分析结果表明镁的质量分数为0.72%，与天然骨内镁含量匹配，锶的质量分数为2.89%;X射线衍射显示存在羟基磷灰石晶体特征峰（25.86°、31°～34°）；红外光谱结果显示，材料出现胶原及羟基磷灰石特征吸收峰；热重分析结果表明，材料中矿物相占比为78.29%，支架孔隙率为91.6%±1.1%，接近天然骨组织水平；离子释放曲线显示，Mg²⁺、Sr²⁺均表现出持续的释放行为；体外降解速率与新生骨组织的长入速率相匹配。细胞学实验表明，MSHA/Col显著促进MC3T3-E1细胞增殖（72 h活性提升130%,P<0.001），具有优异的促成骨分化效能，能显著上调成骨相关基因及蛋白（Runx2、Col-Ⅰ、Opn、Ocn）的表达（P<0.01）。结论 MSHA/Col支架通过组分-结构双重仿生天然骨，在基因和蛋白水平上有效促进成骨分化，突破单纯羟基磷灰石矿化胶原的功能局限，为功能性骨修复材料开发提供新策略。

关键词

仿生矿化胶原 / 镁锶共掺杂 / 无定形磷酸钙 / 羟基磷灰石 / 纤维内矿化 / 骨再生 / 成骨分化 / 骨修复支架