生物材料的表面微纳形貌(MNT)是影响植入材料周围干细胞表型表达和骨再生的重要因素。生物材料的微纳形貌与细胞外基质有相似的物理特征,能够模拟细胞外基质调节细胞迁移、细胞成骨分化、促进骨整合。然而,微纳形貌诱导细胞成骨分化的分子机制尚未完全阐明。微纳形貌影响细胞成骨分化的分子机制的研究能够进一步为材料形貌的研究提供新的理论依据。本研究基于具有不同孔径的二氧化钛纳米管的微纳米结构,研究阳离子通道蛋白PIEZO1及TRPV4及其下游分子信号在微纳形貌诱导骨髓间充质干细胞(BMSC)成骨分化中的作用机制。研究发现在具有微纳形貌的材料表面培养的细胞的PIEZO1和TRPV4基因表达上调。通过加入离子通路蛋白的激动剂与拮抗剂,证明了在微纳形貌诱导BMSC成骨分化过程中PIEZO1、TRPV4起到重要作用,并明确了它们的作用机制。具体方法、结果及结论如下。(1)通过qRT-RCR、茜素红染色和免疫荧光等,探究微纳形貌诱导BMSC成骨分化的作用。研究表明微纳形貌能够明显提高细胞成骨分化相关基因的表达及细胞外钙结节的形成,同时微纳形貌促进了细胞骨架发育。(2)通过qRT-RCR、Western blotting等,探究了TRPV4与PIEZO1在微纳形貌诱导BMSC成骨分化中的作用结果。表明1天时PIEZO1基因表达显著上调,7天TRPV4基因表达才明显上调。在平坦钛片加入TRPV4、PIEZO1激动剂和在微纳形貌加入抑制剂情况下,检测了BMSCs的成骨分化相关基因表达。结果发现激动剂或微纳形貌培养下的细胞成骨分化相关基因表达上调,而使用抑制剂则抑制细胞成骨相关基因表达。结果表明:TRPV4和PIEZO1参与了微纳形貌诱导的BMSC成骨分化过程。(3)使用qRT-RCR、Western blotting与免疫荧光等手段,在平坦钛片加入TRPV4、PIEZO1激动剂和微纳形貌加入抑制剂情况下,检测BMSC中的钙离子浓度,NFATc1、Wnt3a和β-catenin的基因及蛋白表达,NFATc1、β-catenin和YAP的核定位。结果发现在微纳形貌或加入激动剂培养下BMSC中钙离子浓度提高,NFATc1、Wnt3a和β-catenin表达上调,NFATc1、β-catenin和YAP入核量增加。而加入抑制剂后,在微纳形貌上BMSC的细胞内钙离子浓度减少,Wnt3a和β-catenin基因表达降低,NFATc1、β-catenin和YAP核内数量减少。结果表明:TRPV4、PIEZO1及下游钙离子相关信号分子,wnt3a/β-catenin通路参与了微纳形貌诱导BMSC成骨分化过程。综上所述:PIEZO1与TRPV4是响应微纳形貌将其转化为BMSC内成骨分化相关信号分子的重要途径:微纳形貌提高PIEZO1、TRPV4的基因表达;PIEZO1和TRPV4促进钙离子进入,钙离子相关通路激活,促进下游wnt/β-catenin激活促进细胞成骨分化。