藻酸盐、胶原蛋白…揭秘哪些生物材料是理想的成骨支架

间充质干细胞（MSCs）是组织工程和再生医学中重要的种子细胞，它们具有多能性，能够分化成多种类型的细胞，其中成骨细胞是骨骼组织再生的重要细胞类型。细胞外基质（ECM）是细胞微环境的重要组成部分，其机械特性，如刚度，对MSCs的成骨分化起着关键作用。为了更好地模拟体内环境，研究人员开发了许多具有可调刚度的生物材料，以促进MSCs向成骨细胞分化。

1. 自然生物材料

海藻酸盐：藻酸盐是一种天然多糖，具有良好的生物相容性和生物降解性。通过调节藻酸盐的分子量和交联度，可以控制其刚度，从而影响MSCs的成骨分化。研究表明，刚度较高的藻酸盐可以促进MSCs向成骨细胞分化，并提高ALP活性。

胶原蛋白：胶原蛋白是体内最主要的ECM蛋白，具有良好的生物相容性和生物降解性。通过调节胶原蛋白的聚合温度和交联度，可以控制其纤维刚度和整体刚度，从而影响MSCs的成骨分化。研究表明，刚度较高的胶原蛋白可以促进MSCs向成骨细胞分化，并提高ALP活性。

明胶：明胶是一种天然胶原蛋白衍生物，具有良好的生物相容性和生物降解性，并具有RGD细胞结合基序，可以增强细胞粘附。通过交联明胶或添加添加剂，可以控制其刚度，从而影响MSCs的成骨分化。研究表明，刚度较高的明胶可以促进MSCs向成骨细胞分化，并提高ALP活性。

去细胞基质和脱矿骨：去细胞基质和脱矿骨可以提供类似于体内骨骼组织的微环境。通过控制脱矿程度，可以调节其刚度，从而影响MSCs的成骨分化。研究表明，刚度较低的基质可以促进MSCs向成骨细胞分化。

透明质酸：透明质酸是一种天然多糖，具有良好的生物相容性和生物降解性。通过调节透明质酸的交联度，可以控制其刚度，从而影响MSCs的成骨分化。研究表明，刚度较高的透明质酸可以促进MSCs向成骨细胞分化，并提高ALP活性。

纤维蛋白：纤维蛋白是一种天然生物材料，具有良好的生物相容性和细胞粘附性。通过调节纤维蛋白原和凝血酶的浓度，可以控制其刚度，从而影响MSCs的成骨分化。研究表明，刚度较高的纤维蛋白可以促进MSCs向成骨细胞分化。

2. 合成生物材料

聚乙二醇（PEG）：PEG是一种水溶性聚合物，具有良好的生物相容性和生物降解性。通过调节PEG的浓度和交联度，可以控制其刚度，从而影响MSCs的成骨分化。研究表明，刚度较高的PEG可以促进MSCs向成骨细胞分化，并提高Runx2的表达。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）：PDMS是一种弹性聚合物，具有良好的生物相容性和光学透明性。通过调节PDMS的交联度，可以控制其刚度，从而影响MSCs的成骨分化。研究表明，刚度较高的PDMS可以促进MSCs向成骨细胞分化，并提高ALP活性。

乙烯基聚合物：乙烯基聚合物是一类具有多样结构的聚合物，可以用于制备具有不同刚度的支架。研究表明，刚度较高的乙烯基聚合物可以促进MSCs向成骨细胞分化，并提高ALP活性。

聚酯：聚酯是一类可生物降解的聚合物，可以用于制备具有不同刚度的支架。研究表明，刚度较高的聚酯可以促进MSCs向成骨细胞分化，并提高ALP活性。

聚丙烯酰胺：聚丙烯酰胺是一种非离子聚合物，可以用于制备具有不同刚度的水凝胶。研究表明，刚度较高的聚丙烯酰胺可以促进MSCs向成骨细胞分化，并提高ALP活性。

自组装肽：自组装肽是一类能够自发形成有序结构的肽类化合物，可以用于制备具有不同刚度的支架。研究表明，刚度较高的自组装肽可以促进MSCs向成骨细胞分化。

3. 其他聚合物

聚氨酯-聚硅氧烷纳米杂化支架：这种支架具有温度响应性的机械性能，在体内温度下会变软。研究表明，刚度较高的支架可以促进MSCs向成骨细胞分化，而软支架则促进MSCs向软骨细胞分化。

结论

通过开发具有可调刚度的生物材料，可以更好地模拟体内环境，并促进MSCs向成骨细胞分化。这些生物材料为骨组织再生和修复提供了新的思路和方法。未来，需要进一步研究这些生物材料的性能和机制，并开发更有效的骨组织再生方案。

参考文献

El-Rashidy AA, et.al. Effect of Polymeric Matrix Stiffness on Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem/Progenitor Cells: Concise Review. Polymers (Basel). 2021 Aug 31;13(17):2950.