骨植入材料表面微结构对MC3T3-E1成骨细胞成骨分化的影响

doi:10.12307/2025.230

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (10): 1990-1996.doi: 10.12307/2025.230

• 组织工程骨材料 tissue-engineered bone • 上一篇下一篇

骨植入材料表面微结构对MC3T3-E1成骨细胞成骨分化的影响

黄丽苹1，李卉2，王新革3，王瑞4，常蓓5，李适廷1，兰小蓉1，李广文

1西南医科大学附属口腔医院，种植科，口颌面修复重建和再生泸州市重点实验室，四川省泸州市 646000；2西南医科大学公共卫生学院流行病与统计教研室，四川省泸州市 646000；3军事口腔医学国家重点实验室，国家口腔疾病临床医学研究中心，陕西省口腔医学重点实验室，第四军医大学口腔医院修复科，陕西省西安市 710032；4空军军医大学唐都医院军队人员医疗保健中心，陕西省西安市 710032；5火箭军特色医学中心口腔科，北京市 100088

收稿日期:2023-11-30 接受日期:2024-01-22 出版日期:2025-04-08 发布日期:2024-08-20
通讯作者: 李广文，博士在读，主治医师，西南医科大学附属口腔医院，种植科，口颌面修复重建和再生泸州市重点实验室，四川省泸州市 646000；军事口腔医学国家重点实验室，国家口腔疾病临床医学研究中心，陕西省口腔医学重点实验室，第四军医大学口腔医院修复科，陕西省西安市 710032
作者简介:黄丽苹，女，1994年生，四川省眉山市人，汉族，硕士，主要从事种植体表面处理及成骨分化方面的研究。
基金资助:
四川省科技厅重点研发项目(22YFS0634)，项目负责人：兰小蓉；泸州市科技局重点研发计划(面上)(2022-SYF-33)，项目负责人：李广文；西南医科大学自科重点项目(2022ZD015)，项目负责人：李广文；西南医科大学附属口腔医院院级重点项目(2022Z01)，项目负责人：李广文

Effects of microstructured bone implant material surfaces on osteogenic function of MC3T3-E1 osteoblasts

Huang Liping1, Li Hui2, Wang Xinge3, Wang Rui4, Chang Bei5, Li Shiting1, Lan Xiaorong1, Li Guangwen1, 3

1Department of Implantology, The Affiliated Stomatological Hospital, Southwest Medical University; Luzhou Key Laboratory of Oral Maxillofacial Reconstruction and Regeneration, Luzhou 646000, Sichuan Province, China; 2Department of Epidemiology and Statistics, School of Public Health, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China; 3State Key Laboratory of Military Stomatology & National Clinical Research Center for Oral Diseases & Shaanxi Key Laboratory of Oral Diseases, Department of Prosthodontics, School of Stomatology, The Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, Shaanxi Province, China; 4Medical Care Center for Military Personnel, Tangdu Hospital, Air Force Military Medical University, Xi’an 710032, Shaanxi Province, China; 5Department of Stomatology, The PLA Rocket Force Characteristic Medical Center, Beijing 100088, China

Received:2023-11-30 Accepted:2024-01-22 Online:2025-04-08 Published:2024-08-20
Contact: Li Guangwen, Doctoral candidate, Attending physician, Department of Implantology, The Affiliated Stomatological Hospital, Southwest Medical University; Luzhou Key Laboratory of Oral Maxillofacial Reconstruction and Regeneration, Luzhou 646000, Sichuan Province, China; State Key Laboratory of Military Stomatology & National Clinical Research Center for Oral Diseases & Shaanxi Key Laboratory of Oral Diseases, Department of Prosthodontics, School of Stomatology, The Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, Shaanxi Province, China
About author:Huang Liping, Master, Department of Implantology, The Affiliated Stomatological Hospital, Southwest Medical University; Luzhou Key Laboratory of Oral Maxillofacial Reconstruction and Regeneration, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
Supported by:
Key Research & Development Project of Science and Technology Department of Sichuan Province, No. 22YFS0634 (to LXR); Key Research and Development Plan of Luzhou Science and Technology Bureau (General Program), No. 2022-SYF-33 (to LGW); Key Project of Self-Discipline of Southwest Medical University, No. 2022ZD015 (to LGW); Hospital level Key Project of Stomatology Hospital Affiliated to Southwest Medical University, No. 2022Z01 (to LGW)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
钛表面微纳结构：是指在钛材料表面形成具有微米和纳米级别特征的结构，通过扫描电镜和原子力显微镜等技术可以观察到钛表面微纳形貌的特征，如微小凹坑和纳米管，这种微纳米形貌能够显著影响钛材料的生物相容性和成骨性能。
机械敏感通道蛋白1(piezo type mechanosensitive ion channel component 1，PIEZO1)：是一种机械敏感通道蛋白，能够感知和响应机械刺激，它在细胞膜上形成的离子通道可以将细胞外的机械刺激转化为生化信号，从而调节细胞的生物学反应。机械敏感通道蛋白1在多种生物物理刺激下被激活，包括细胞外基质的硬度、膜的拉伸、静压力和流体剪切力等，通过激活细胞膜的机械传感器，将机械刺激传导到细胞内的下游信号通路，从而调控细胞的功能。

背景：骨植入材料表面微纳结构仿生设计可模拟人体天然骨组织中细胞外环境的结构，从而获得较为理想的骨整合功能，但骨植入材料表面微纳结构调控细胞功能及促进成骨的机制还有待进一研究。
目的：分析钛片材料微结构表面对MC3T3-E1成骨细胞成骨分化的影响。
方法：①在5 V或20 V恒定电压下，采用酸蚀和阳极氧化技术在钛片表面制备不同管径的纳米管阵列，分别记为R5组、R20组。检测纯钛片(未经酸蚀和阳极氧化处理)、R5组、R20组的表面形貌、粗糙度与亲水性。②将对数生长期的MC3T3-E1成骨细胞分别接种于纯钛片、R5组、R20组钛片表面，成骨诱导培养24 h后，采用RT-PCR检测与免疫荧光染色分析细胞机械敏感通道蛋白1的表达；加入含或不含机械敏感通道蛋白1激活剂Yada1的成骨诱导基，培养7 d后进行碱性磷酸酶染色，培养14 d后进行茜素红染色。
结果与结论：①扫描电镜下可见纯钛片表面光滑，R5组、R20组钛片表面可见分布相对均匀且有序的纳米管阵列，平均直径分别约30 nm和100 nm，原子力显微镜进一步验证了扫描电镜观察结果。R5组钛片表面粗糙度大于纯钛片(P < 0.05)，水接触角小于纯钛片(P < 0.05)；R20组钛片表面粗糙度大于R5组(P < 0.05)，水接触角小于R5组(P < 0.05)。②RT-PCR检测与免疫荧光染色显示，R5组细胞机械敏感通道蛋白1的表达高于纯钛片组(P < 0.05)，R20组细胞机械敏感通道蛋白1的表达高于R5组(P < 0.05)。在成骨诱导条件下，与未加入Yada1情况相比，纯钛片组加入Yada1后的细胞碱性磷酸酶活性、钙化结节沉积均无明显变化，R5组、R20组加入Yada1后的细胞碱性磷酸酶活性、钙化结节沉积均显著增加(P < 0.05)；在加入或未加入Yada1情况下，R5组细胞碱性磷酸酶活性与钙化结节沉积均多于纯钛片组(P < 0.05)，R20组细胞碱性磷酸酶活性与钙化结节沉积均多于R5组(P < 0.05)。③结果表明，钛片表面微结构可通过激活机械敏感通道蛋白1促进成骨细胞MC3T3-E1的成骨分化。

https://orcid.org/0009-0004-0025-6775(黄丽苹)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 骨植入材料">, 钛种植体">, 材料微结构">, 机械敏感通道蛋白">, 成骨分化">, PIEZO1

Abstract: BACKGROUND: The micro/nanostructured gradient biomimetic surface of implant materials can simulate the structure of the extracellular environment in human bone tissue, thereby achieving perfect bone integration function. However, further research is needed on the mechanisms by which the surface microstructure of bone implant materials regulates cell function and promotes osteogenesis.
OBJECTIVE: To analyze the effect of titanium sheet microstructure surface on osteogenic differentiation of MC3T3-E1 osteoblasts.
METHODS: (1) At a constant voltage of 5 V or 20 V, nanotube arrays of different diameters were prepared on the surface of titanium sheets by acid etching and anodic oxidation techniques, and were recorded as group R5 and group R20, respectively. The surface morphology, roughness, and hydrophilicity of pure titanium sheet (without acid etching or anodizing treatment) were measured in group R5 and group R20. (2) MC3T3-E1 osteoblasts of logarithmic growth stage were inoculated on the surface of pure titanium sheets, R5 group and R20 group respectively. After 24 hours of osteogenic induction culture, the expression of mechanical sensitive channel protein 1 was analyzed by RT-PCR and immunofluorescence staining. Osteoblast inducible base with or without the mechanosensitive channel protein 1 activator Yada1 was added, and alkaline phosphatase staining was performed after 7 days of culture. Alizarin red staining was performed after 14 days of culture.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The surface of pure titanium sheets was smooth under scanning electron microscope. Relatively uniform and orderly nanotube arrays with average diameters of about 30 nm and 100 nm were observed on the surface of titanium sheets of groups R5 and R20, respectively. The results of scanning electron microscope were further verified by atomic force microscopy. The surface roughness of titanium sheet of group R5 was higher than that of pure titanium (P < 0.05), and the water contact angle was lower than that of pure titanium (P < 0.05). The surface roughness of titanium sheet in group R20 was higher than that in group R5 (P < 0.05), and the water contact angle was lower than that in group R5 (P < 0.05). (2) RT-PCR and immunofluorescence staining showed that the expression of mechanosensitive channel protein 1 in group R5 was higher than that in pure titanium group (P < 0.05), and the expression of mechanosensitive channel protein 1 in group R20 was higher than that in group R5 (P < 0.05). Under the osteogenic induction, compared with the condition without Yada1, there were no significant changes in the activity of alkaline phosphatase and the deposition of calcified nodules in pure titanium group after Yada1 addition, while the activity of alkaline phosphatase and the deposition of calcified nodules in groups R5 and R20 after Yada1 addition were significantly increased (P < 0.05). With or without Yada1, the alkaline phosphatase activity and calcified nodule deposition in group R5 were higher than those in pure titanium group (P < 0.05), and the alkaline phosphatase activity and calcified nodule deposition in group R20 were higher than those in group R5 (P < 0.05). (3) The results show that the surface microstructure of titanium sheet can promote the osteogenic differentiation of osteoblast MC3T3-E1 by activating mechanosensitive channel protein 1.

Key words: bone implant material">, titanium implant">, material microstructure">, mechanosensitive channel protein">, osteogenic differentiation">, PIEZO1

中图分类号:

黄丽苹, 李卉, 王新革, 王瑞, 常蓓, 李适廷, 兰小蓉, 李广文. 骨植入材料表面微结构对MC3T3-E1成骨细胞成骨分化的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(10): 1990-1996.

Huang Liping, Li Hui, Wang Xinge, Wang Rui, Chang Bei, Li Shiting, Lan Xiaorong, Li Guangwen. Effects of microstructured bone implant material surfaces on osteogenic function of MC3T3-E1 osteoblasts[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(10): 1990-1996.

图/表（结果） 5

2.1 各组钛片表面形貌、粗糙度与水接触角检测结果使用扫描电镜检测各组钛片的表面结构，低倍镜下可见纯钛片组表面光滑，R5组和R20组钛片表面微坑形貌较均匀；高倍镜下可见纯钛片组表面没有明显的纳米级形貌，而R5组和R20组钛片表面可见分布相对均匀且有序的纳米管阵列，平均直径分别约30 nm和100 nm(图1A)。
原子力显微镜检测结果与扫描电镜结果相似，纯钛片组表面相对较为平坦，R5组及R20组钛片表面存在较为均匀的凸起(图1B)。通过对原子力显微镜粗糙度参数Ra(轮廓算术平均偏差)与Rz(轮廓最大高度)指标的分析表明，纯钛片组表面粗糙度最小，R5组及R20组钛片表面粗糙度较大，并且R20组钛片表面粗糙度大于R5组(图1D)。
接触角测量仪检测结果显示，纯钛片组及R5组、R20组钛片表面接触角测量值平均值由31.2°逐渐降到5.7°，其中R20组表面接触角最小，亲水性能最佳(图1C，E)。

2.2 各组钛片对MC3T3-E1成骨细胞PIEZO1表达的影响 RT-PCR检测结果显示，R5组细胞PIEZO1 mRNA表达高于纯钛片组(P < 0.001)，R20组细胞PIEZO1 mRNA表达高于R5组(P < 0.001)，见图2。

免疫荧光染色显示，R5组细胞PIEZO1相对免疫荧光强度高于纯钛片组(P < 0.01)，R20组细胞PIEZO1相对免疫荧光强度高于R5组(P < 0.05)，见图3。

2.3 各组钛片对MC3T3-E1成骨细胞碱性磷酸酶与茜素红染色的影响为了揭示PIEZO1是否介导了微结构表面的成骨效应，使用PIEZO1特异性激活剂Yoda1激活成骨细胞的PIEZO1表达。碱性磷酸酶染色显示，在成骨诱导条件下，与未加入Yada1情况相比，纯钛片组加入Yada1后的细胞碱性磷酸酶活性无明显变化，R5组、R20组加入Yada1后的细胞碱性磷酸酶活性显著增加(P < 0.05)；在加入或未加入Yada1情况下，R5组细胞碱性磷酸酶活性均强于纯钛片组，R20组细胞碱性磷酸酶活性强于R5组，见图4。

茜素红染色显示，在成骨诱导条件下，与未加入Yada1情况相比，纯钛片组加入Yada1后的细胞钙化结节沉积均无明显变化，R5组、R20组加入Yada1后的细胞钙化结节沉积均显著增加；在加入或未加入Yada1情况下，R5组细胞钙化结节沉积均多于纯钛片组，R20组细胞钙化结节沉积均多于R5组，见图5。

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引言

骨植入材料在临床治疗中发挥着重要作用。随着人们对生活质量要求的不断提升，对于植入体的即刻或早期负载需求越来越多，然而受限于手术方式、植入材料等因素影响，骨整合时间仍然相对较长，尤其是对于存在骨质疏松、糖尿病、牙周炎等疾病的患者，种植失败风险较高[1-5]，因此提升骨植入材料的骨整合是亟待解决的临床问题。骨植入材料表面的骨整合是植入材料与周围骨组织之间直接接触和愈合的复杂过程，包括初始接触、细胞迁移、细胞增殖和分化及骨重塑等多个关键阶段，其中成骨细胞在植入体表面成骨向分化的结果在骨整合中扮演着重要角色，因此大量研究着力于进行材料表面形貌优化以提高成骨细胞的成骨分化能力[6-11]。阳极氧化是一种低成本、通用且可重复的方法，通过控制施加电位可在金属表面生成不同直径的纳米管阵列，从而不同程度提高植入材料的生物活性[12-15]。但材料表面形貌调控细胞反应的机制仍缺乏统一的结论，这在一定程度上制约了材料表面结构的主动性设计。
机械刺激是正常组织形态和功能的主要调节因素，包括形貌、拉伸、渗透压等。细胞感知机械刺激并通过机械信号转导机制作用于细胞核，引起基因表达变化，进而调节细胞的生物学功能[16-17]，这一过程被称为机械信号转导。其中，机械敏感通道蛋白1(piezo type mechanosensitive ion channel component 1，PIEZO1)是目前研究最为广泛的生物机械感受系统和机械转导蛋白之一，最近的研究表明，PIEZO1参与了识别物理信号、调节骨形成及维持体内骨代谢等过程[18]。因此，此次实验通过酸蚀和阳极氧化技术构建与天然骨组织形貌相似的骨植入材料表面微米坑/纳米管梯度仿生结构，研究了该结构对成骨细胞PIEZO1表达及成骨分化能力的影响，为进一步理解骨植入材料表面微结构调控成骨细胞的内在机制及材料表面形貌设计提供理论依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计骨植入材料表面微结构的制备及相关表征，体外细胞学及分子学实验，实验组间分析采用one-way ANOVA单因素方差分析，事后行Turkey检验。
1.2 时间及地点实验于2021年12月至2023年3月在西南医科大学科技大楼完成。
1.3 材料直径15 mm、厚度1 mm的圆形纯钛试样(西北有色研究院，中国)；MC3T3-E1成骨细胞(西南医科大学)；氢氟酸(淄博丹阳化工，中国)；阳极氧化仪器(MQ119，深圳市日欣设备厂)；α-MEM培养基、胎牛血清；特异性抗PIEZO1抗体(美国Abcam公司)；山羊抗兔多克隆二抗IgG-H&L(Abcam，美国)；PIEZO1激动剂Yoda1(Thermofisher，美国)；碱性磷酸酶染色试剂盒、茜素红染色试剂盒(碧云天，中国)；场发射扫描电子显微镜(S-4800，Hitachi，日本)；原子力显微镜(SPM-9600 日本Shimadzu公司)；接触角测量仪器(EasyDrop Standard，德国KRUSS公司)。
1.4 实验方法
1.4.1 钛片样品制备及表征取直径15 mm、厚度1 mm的圆形纯钛试样(用于细胞培养)，经240-7 000目水磨砂纸抛光至镜面，作为纯钛片组。将抛光处理后的钛片经0.5%氢氟酸酸蚀30 min，形成微米坑结构，经丙酮、无水乙醇、去离子水依次荡洗10 min，在含0.3%氢氟酸和6.2%磷酸的电解液中分别以5 V或20 V恒压条件阳极氧化1 h，制备出分别含两种管径纳米管阵列的钛片(分别记为R5组、R20组)；再次使用丙酮、无水乙醇、去离子水依次荡洗，用于后续细胞学实验。所有试样在进行细胞实验前均使用体积分数75%乙醇浸泡、70 ℃下干燥及紫外线照射消毒。采用扫描电镜检测各组样品的表面微观形貌，原子力显微镜检测各组样品的表面粗糙度，接触角测量仪器检测各组样品的水接触角。
1.4.2 细胞培养 MC3T3-E1成骨细胞是体外研究成骨细胞的良好模型。MC3T3-E1成骨细胞在含体积分数10%胎牛血清、1%双抗的α-MEM培养基中培养，置于37 ℃、体积分数5%CO2细胞培养箱内。每3 d更换1次细胞培养基。待细胞融合至80%左右时传代，取对数生长期细胞用于后续实验。
1.4.3 各组钛片对MC3T3-E1成骨细胞PIEZO1表达的影响将各组钛片分别置于24孔板中，随后将MC3T3-E1成骨细胞接种于各组钛片表面，细胞密度为5×104/孔，加入成骨诱导培养基(α-MEM培养基含体积分数10%胎牛血清、10 mmol/L β-甘油磷酸钠、0.1 μmol/L地塞米松和
0.2 mmol/L抗坏血酸)培养。RT-PCR检测 PIEZO1 mRNA表达：培养24 h后，采用Takara公司的RNA提取试剂盒分别提取各组细胞总RNA，使用Takara PrimeScriptTM RT reagent kit反转录试剂盒对提取的总RNA进行反转录。其中PCR反应反转录条件：37 ℃反应20 min，85 ℃反应10 s，最后通过Takara SYBR Premix Ex TaqIITM试剂盒进行实时定量PCR的检测。PIEZO1特异性引物设计序列：上游序列为5’-CGC CCC TCC CTG AAC TCT-3’，下游序列为5’-TGC CTG CCT GGG ATC TGT A-3’。免疫荧光染色观察PIEZO1蛋白表达：培养24 h后，室温下用40 g/L多聚甲醛溶液冰上固定5 min，0.2%triton-X100透明10 min，山羊血清室温封闭1 h。加入PIEZO1一抗溶液(以 PBS稀释100倍)4 ℃冰箱内孵育12 h。用PBS漂洗后室温复温1 h，避光加入兔IgG山羊多克隆二抗中孵育1 h。用PBS反复漂洗，避光条件下加入DAPI溶液染色1 min，倒置荧光显微镜下采集图像，利用Image J软件分析荧光强度。
1.4.4 各组钛片对MC3T3-E1成骨细胞碱性磷酸酶及茜素红染色的影响将各组钛片分别置于24孔板中，随后将MC3T3-E1成骨细胞接种于各组钛片表面，细胞密度为2×104/孔，培养48 h后，更换为添加或未添加0.5 μmol/L PIEZO1特异性激活剂Yoda1的成骨诱导培养基继续培养。培养7 d后进行碱性磷酸酶染色，同时检测碱性磷酸酶活性；培养14 d后进行茜素红染色，观察钙化结节沉积，量化分析细胞外基质相对矿化水平。
1.5 主要观察指标各组样品的表面结构形貌、粗糙度及亲水性，以及对MC3T3-E1成骨细胞成骨分化的影响。
1.6 统计学分析以上数据均采用SPSS 21.0软件进行统计分析，使用x±s描述，组间比较采用one-way ANOVA单因素方差分析，事后行Turkey检验，P < 0.05为差异有显著性意义。该文统计学方法已经西南医科大学生物统计学专家审核。

讨论

人们很早就认识到材料表面的物理形貌、粗糙度、电荷、化学官能团、能量状态、亲疏水性等理化特性会影响细胞在材料表面的黏附、迁移、增殖、分化和凋亡等，从而影响了组织愈合过程，例如：高度仿生化、纳米化的生物材料表面能够募集并激发成骨细胞分化[19-20]，轻度无序的纳米坑结构在无矿化诱导液情况下即可诱导成骨细胞成骨分化[21]，这说明单纯的形貌因素即可诱导骨再生。骨组织是由纳米单元到微米单元的梯度结构。通过改变阳极氧化过程的条件可以构建出不同微米坑、纳米管梯度仿生的微纳米形貌，促进细胞的黏附、增殖、迁移和分化[22]，体外生物学实验发现这种微纳米形貌在无矿化诱导液条件下也可促进成骨细胞的成骨分化[23]，说明当钛表面具有特定物理形貌结构后可直接诱导骨再生，这种现象背后的调控机制也引起了广泛关注。
骨是一个动态的结构，不断经历骨吸收和骨重塑过程，以响应源于生理或外界的应变。骨形成的持续过程是由成骨细胞进行的，成骨细胞在骨传导的物理刺激及细胞因子刺激之后进行成骨分化。机械信号作为生命活动的基本信号之一可以改变细胞行为[24-25]。细胞通过各种方式来感应机械信号，包括结构性蛋白、离子通道、酶和膜受体[26-29]，其中PIEZO1蛋白是一种机械敏感性通道蛋白，与生物力学机械信号密切相关，可将机械信号转化为细胞内外的化学信号，从而调控细胞的一系列生物学效应。PIEZO1主要分布在细胞膜上，可以被多种机械刺激通过细胞膜脂质双层的机械扰动直接激活，包括细胞压痕、拉伸力、流体剪切力、基质形貌和渗透压力等，进而引起下游细胞内信号反应[30-31]。文献表明，PIEZO1能够感知细胞外的力学刺激并转导到细胞内的信号通路中，这些力学刺激通过激活PIEZO1通道调控成骨细胞的基因表达和蛋白合成，促进其向成熟的骨细胞分化[32]。机械拉伸也可以激活PIEZO1，促进成骨分化。研究证实静水压力可以激活PIEZO1，促进成骨分化[33-34]。此次实验结果表明，与光滑钛片相比，微结构钛表面(R5组和R20组)上的PIEZO1 mRNA表达显著增强，特别是大孔径纳米管组(R20组)增强尤为明显。进一步通过免疫荧光检测PIEZO1蛋白表达，发现微结构钛表面也明显增强了PIEZO1蛋白表达，检测结果与mRNA表达基本一致，可能是由于骨植入材料表面的特殊微结构能够提供更多的机械刺激，从而激活PIEZO1。既往研究表明，在不同尺寸微纳米管的钛表面接种MC3T3-E1细胞，与小纳米管相比，大纳米管(100 nm)增强成骨标志物碱性磷酸酶活性[15]。此次实验结果显示，R20组PIEZO1 mRNA与蛋白表达水平较R5组高，猜测大纳米管增强了成骨活性。因此，作者推测骨植入材料表面的微结构可能通过直接与细胞膜接触引起细胞膜的扰动，并快速激活PIEZO1。
PIEZO1在成骨分化和骨稳态调控中具有关键的功能[35-37]。研究发现，PIEZO1过表达显著促进牙囊细胞及成骨细胞的成骨分化[38]。此外，PIEZO1还能够调控成骨细胞的钙离子内流和细胞内信号传导，进一步调控其功能和骨稳态[39-40]。最新的研究还发现，PIEZO1参与调控骨细胞的骨吸收[36]。PIEZO1敲除小鼠的骨吸收增加并导致骨稳态失衡[36-37，41]。因此，PIEZO1作为成骨分化和骨稳态调控中的关键分子，参与调控骨细胞的分化、功能和骨吸收与骨生成的平衡。为了验证PIEZO1在微结构钛表面MC3T3-E1成骨分化中的作用，此次实验使用小分子激动剂Yoda1(选择性PIEZO1激动剂)提高了不同表面PIEZO1的表达水平，结果显示，PIEZO1激活后在微结构钛表面细胞碱性磷酸酶表达和矿化结节的形成显著上调，而在光滑表面几乎无变化，表明机械敏感通道蛋白PIEZO1参与调控微结构表面的成骨分化过程，并在骨植入材料微结构表面MC3T3-E1成骨细胞功能表达中起到了关键作用。
综上所述，骨植入材料表面微结构通过激活PIEZO1通道参与成骨分化的机制是一个复杂的过程。骨植入材料表面微结构能够增加PIEZO1的表达水平，并通过激活PIEZO1通道传导机械刺激信号，从而调控成骨细胞的分化和功能。这些研究结果为理解骨植入材料表面诱导的成骨分化机制提供了重要的线索，为开发新的骨修复材料和治疗策略提供了理论基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

骨植入材料表面微结构对MC3T3-E1成骨细胞成骨分化的影响

Effects of microstructured bone implant material surfaces on osteogenic function of MC3T3-E1 osteoblasts

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