電氣石/水凝膠復合材料體外細胞相容性評價

李小玉,趙 凱,肖建剛,李峻峰

(1.四川大學華西口腔醫院口腔疾病研究國家重點實驗室,四川成都 610041; 2.四川大學材料科學與工程學院,四川成都 610065; 3.成都理工大學材料科學技術研究所,四川成都 610059)

0 引 言

電氣石是以含硼為主的環狀硅酸鹽礦物,其化學式為,Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O18](BO3)3(OH,F)4,屬三方晶系.通常,天然電氣石的復雜化學成分和晶體結構使電氣石具有自發極化、紅外輻射、釋放負離子等特性[1].有研究發現,電氣石微粉對水分子團簇結構的改善有明顯作用,能夠使水分子團簇中的氫鍵穩定性下降,并影響離子的轉移,從而促進電離,降低締合度,使水形成小分子團[2].一般認為,水分子團愈小,水的活性愈高,可使水分子透入細胞膜的數量和速度大為增加,利于細胞的生長增殖.近期的相關研究表明,電氣石能消除過剩自由基,活化組織細胞,并通過促進細胞增殖顯著地促進細胞的生長和生物量的增加[3-4].

目前,科研人員對于電氣石的基本性質與相關理論研究已日趨深入,但對其在生物醫用領域,尤其是在人體組織修復方面的應用尚未見報道.本研究將電氣石復合到水凝膠中,分析電氣石對人成骨肉瘤MG63細胞生長增殖的影響,為電氣石在組織修復新材料方面的應用提供基礎實驗數據.

1 實驗方法

1.1 材料制備與表征

在燒杯中加入一定質量的水凝膠、電氣石粉體和輔料,再加入蒸餾水,并用電動攪拌器混合均勻,室溫下注入凝固液制成電氣石/水凝膠復合材料.電氣石與水凝膠的質量比分別為,1∶20、1∶10、1∶5、1∶2.復合材料用去離子水沖洗后備用.

在倒置顯微鏡(TE2000-U,Nikon)下觀察復合材料的形態并照相.磷酸鹽緩沖液(Phosphate Buffered Saline,PBS)沖洗復合材料3次,戊二醛固定 3h, 30%、50%、75%、80%、95%、100%梯度乙醇脫水,15 min/次,乙酸異戊酯替換30 min,臨界點干燥后用掃描電子顯微鏡(JSM-5600LV,JEOL)觀察復合材料形貌并照相.

1.2 細胞培養

實驗所用人成骨肉瘤MG63細胞由四川大學華西口腔醫院提供.

將冷凍細胞置于37℃恒溫水浴中快速融化, 1 000 rpm離心8 min(LD4-2型離心機,江陰市科研器械廠),加入含10%小牛血清(G ibco Inc.)的F12培養基(Invitrogen Inc.)培養(100 U/mL青霉素及100 μg/mL鏈霉素),次日換液.待細胞貼滿瓶壁后,用胰酶(Sigma Inc.)消化,吹打制成細胞懸液,分瓶后繼續培養.

將電氣石/水凝膠復合材料(1 cm×2 mm)用蒸餾水超聲清洗3次,干燥后,置于24孔板(Corning Inc.)中,紫外滅菌,加入含10%小牛血清的F12培養基浸泡過夜.

吸棄原有培養基,取人成骨肉瘤MG63細胞,用胰酶消化,吹打制成細胞懸液,按照2×104個/mL的密度接種細胞,每孔接種1 mL,使細胞自然沉降在材料表面,隔天更換新鮮培養基.另外,不放置材料的孔作為空白對照.

1.3 細胞相容性檢測

在培養第4 d,用倒置顯微鏡觀察共培養的人成骨肉瘤MG63細胞的形態并照相.吸棄原有培養基, PBS吹洗3次.避光條件下,按照Live&Dead Cells試劑盒(Molecular Probes Inc.)說明配制熒光染色工作液,每孔加入熒光染色工作液100μL,放于37℃、5%CO2的培養箱中避光孵育30 min,PBS吹洗,倒置熒光顯微鏡下觀察并拍照.電氣石與細胞共培養4 d、10 d、15 d時各取一板細胞,吸棄原有培養基,加入1 mL新鮮F12培養基,每孔加入40μL 5 mg/mL的MTT(3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide,Sigma Inc.),放于培養箱中孵育3.5 h后,吸棄液體,加入450μL二甲基亞砜(Dimethyl sulfoxide,DMSO),振搖 5 min,放于培養箱孵育 30 min,振搖5 min,取150μL反應液轉移到96孔板中,用酶聯免疫檢測儀(PerkinElmer wallac 1420)在波長490 nm處測定其光吸收值.

2 結果與討論

2.1 材料形貌

對實驗制備的3號樣品用光鏡及電子掃描顯微鏡觀察其形貌,結果如圖1所示.

圖1 3號復合樣品光鏡與電子掃描顯微鏡照片形貌

圖1(a)為電氣石粉末復合到水凝膠中的光鏡照片,由圖可見電氣石呈大小不一的片狀,不均勻地分散在水凝膠中.圖1(b)為電子掃描顯微鏡照片,從材料的表面可看到電氣石的塊狀突起,粒徑在100μm以下,密度較大,說明其分散狀況良好.

2.2 細胞形態

人成骨肉瘤MG63細胞與復合材料共培養4 d后的細胞形態如圖2所示.

圖2 MG63細胞與復合材料共培養4 d的細胞形態

由圖2可見,培養4 d后,培養板內細胞形態多為梭形或多邊形貼壁生長,胞質、胞仁明顯,生長狀態良好,細胞無衰老及異常分裂現象.其中:1號培養板上(圖2(b))細胞分散狀況好,生長良好;2號培養板上(圖2(c))細胞團聚生長,有少量懸浮死亡的細胞;3號培養板上圖(2(d))細胞團聚,生長良好;4號培養板上(圖2(e))細胞生長較分散,成單層生長,伸出較多偽足.細胞形態分析顯示,人成骨肉瘤MG63細胞與不同比例的復合材料共培養均能夠正常生長,不影響細胞形態及增殖,此表明復合材料具有良好的細胞相容性及表面活性,對細胞無明顯毒副作用.

2.3 細胞活性

Calcein-AM和碘化丙啶(Propidium iodide,PI)溶液可分別對活細胞和死細胞進行染色.Calcein-AM可透過細胞膜,通過活細胞內的酯酶作用,脫去AM基,產生的鈣黃綠素(Calcein)能發出強綠色熒光,其僅對活細胞染色.而作為核染色染料的PI不能穿過活細胞的細胞膜,卻能夠嵌入死細胞的DNA雙螺旋而產生紅色熒光,其僅對死細胞染色.由于Calcein和PI-DNA都可被490 nm波光熒光激發,因此可用熒光顯微鏡同時觀察活細胞和死細胞.人成骨肉瘤MG63細胞與復合材料共培養4 d的熒光染色照片如圖3所示.

圖3 MG63細胞與復合材料共培養4 d熒光染色照片

從圖3可以看出,人成骨肉瘤MG63細胞與復合材料共培養4 d后,細胞成片生長,呈單層鋪展,形態正常,為三角形或多邊形,生長及增殖狀況良好,死亡細胞少.其中:1號培養板上(圖3(b))細胞大小不一,密集處細胞體積小;2號培養板上(圖3(c))細胞體積差別小;3號培養板上(圖3(d))細胞較其他組稀疏,偽足長,死亡細胞較集中;4號培養板上(圖3(e))細胞較密集,細胞體積差別大.熒光形態分析顯示,人成骨肉瘤MG63細胞能夠伸出偽足與復合材料良好地粘附,形態良好,密度大,死亡少,表明復合材料具有良好的細胞相容性及表面活性,對細胞無明顯毒副作用,細胞能夠正常生長及增殖.

2.4 細胞增殖

MTT比色法[5]是一種檢測細胞存活和增殖性的有效的方法,其原理是活細胞線粒體中的琥珀酸脫氫酶能使外源性的MTT還原為難溶性的藍紫結晶物,并沉積在細胞中,而死細胞無此功能.人成骨肉瘤MG63細胞與復合材料共培養4 d后,粘附在培養板上的細胞增殖情況如圖4所示.

從圖4可見,人成骨肉瘤MG63細胞與復合材料共培養4 d后,實驗組的數值高于對照組,各組間無顯著性差異(p>0.05);到第10 d,吸收值達到高峰,對照組增殖迅速(p<0.01),明顯高于實驗組,實驗組之間沒有顯著性差異(p>0.05);到第15 d,各組吸光值均下降,各組不存在顯著性差異(p> 0.05).后期對照組明顯比實驗組增殖快,這是由于實驗組可供粘附的板面積比空白組小,并且部分細胞粘附到了材料上,使生長在板上的細胞數量減少,從而導致后期對照組的比色值高于各實驗組.隨后,由于細胞間接觸抑制使得少量細胞脫落,各組值下降.實驗表明,復合材料對于細胞有一定的親和力,細胞能夠粘附生長,無明顯毒副作用.

圖4 MG63細胞與不同比例復合材料共培養在板上的增殖情況

3 結 論

通過本研究發現,人成骨肉瘤MG63細胞與電氣石/水凝膠復合材料共培養不影響細胞正常的生長及增殖,細胞形態良好,細胞結構明顯,大小及密度適中,無異常分裂現象,死亡細胞少,表明電氣石/水凝膠復合材料具有良好的細胞形容性,無明顯毒副作用,可以用作組織構建.本研究證實,電氣石與水凝膠復合后不僅保留了電氣石的優良特性,也具有良好的生物相容性,此為其在生物材料方面的應用提供了一種新思路.

[1]王光華,董發勤.電氣石的功能屬性及應用[J].中國非金屬礦工業導刊,2007,28(5):9-11.

[2]夏枚生,胡彩虹,張紅梅,等.電氣石處理水對Caco-2細胞生長和堿性磷酸酶活性的影響[J].細胞生物學雜志, 2005,27(3):358-362.

[3]駱靖中.電氣石的特性及其在健康與環保領域的新用途[J].中國非金屬礦工業導刊,2007,28(6):17-19.

[4]黃城貴,潘麗萍,李海航,等.電氣石對綠豆培養細胞生長的影響[J].生物技術,2008,18(3):61-63.

[5]趙嘉惠,張華屏,王春芳.MTT法在檢測細胞增殖方面的探討[J].山西醫科大學學報,2007,38(3):262-263.