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骨修复材料是目前临床上可应用的为数不多的组织工程产品之一，在国内和国际上均有多家研究机构从事相关材料的研发工作。目前已有多种骨修复材料用于临床，但在成分、结构和修复领域等方面差别都较大。 目前治疗骨缺损的植骨材料，大致可分为自体骨、异体骨、异种骨、人工骨等。自体骨移植是目前临床上使用最多的方法，但它是一种以牺牲健康部位骨组织为代价的“以伤治伤”的手段，会对供骨区造成新的缺损，而且自体骨的来源十分有限。采用同种异体骨或异种骨移植，尽管克服了自体骨移植“来源有限和二次损伤”的缺陷，但目前尚不能完全克服移植后的免疫排斥反应，并且还有潜在传播疾病的危险。另外，同种异体骨存在医学伦理学方面的障碍，而异体骨美国 FDA 至今仍未批准其用于临床。目前，临床上应用的人工骨材料，大致可分为磷酸钙类、硫酸钙类生物陶瓷和复合人工骨。生物陶瓷类产品虽然生物相容性好，但具有力学性能差，生物活性低，降解缓慢等缺点。目前临床应用的骨修复人工骨材料，与自体骨相比存在生物活性不足或者降解性能不理想的缺点，难以取得理想的骨缺损修复效 果。也就是说，虽然目前在研以及临床应用的骨修复材料有很多种，但都无法达到天然骨的修复效果，在成分上、分级结构上，以及生物活性都有较大的差距。本项目正是针对当前骨修复材料面临的共性问题，拟开发一种新型的可与天然骨相媲美的具有诱导骨生成活性的多级仿生骨再生修复纳米材料。 合作目标：本项目的主要目标是利用中、新双方的技术优势，共同开发一种具有骨诱导生物活性及分级仿生结构的骨再生修复纳米纤维三维框架材料，作为大尺寸骨缺损再生移植材料。完成分级仿生骨修复纳米材料的设计、仿生制备和表征；骨材料具有诱导骨形成、诱导血管生成等能力的生物活化；及其动物体内骨修复效果评估。合作内容：本项目研究的主要内容为开发一种新型的分级仿生骨再生修复纳米复合材料。通过体外仿生矿化方法和静电纺丝立体制备技术的结合，实现骨组织纳米尺度到毫米尺度的多级仿生，获得分级结构和组成成分均高度仿生的三维立体骨修复纳米复合材料。具体内容包括以下三个方面。 一、分级仿生骨再生修复纳米纤维三维框架材料的制备 骨是由胶原蛋白和羟基磷灰石纳米晶通过分级组装形成的复杂的天然生物矿化材料。胶原作为最主要的结构蛋白起着调控纳米晶体矿化的作用。而含量极少的非胶原蛋白起着与骨形成相关的生物功能调节作用。因此，目前已有很多研究均致力于开发胶原基骨修复框架材料，旨在实现骨修复材料的成份仿生。本研究中，我们不仅考虑骨材料的成份仿生，还着重研究骨材料的分级结构仿生以及生物活性仿生。 （1） 胶原基骨分级仿生修复纳米材料的制备 通常来讲，骨具有从纳米尺度到毫米尺度的7 个分级结构，是由基因、蛋白、细胞外基质和细胞等在不同尺度下分别调控形成的。因此，体外模拟很难同时实现从纳米尺度到宏观尺度的自组装分级结构。必须采用多种技术结合来实现分级结构仿生。中方采用体外模拟矿化的方法，可实现胶原分子自组装，并实现胶原调控下的羟基磷灰石纳米晶体的沉积，以及二者的分级组装，这主要可实现矿化胶原纤维从纳米尺度到微米尺度的仿生过程。对于矿化 的胶原纤维，现有的冷冻干燥等成型技术无法获得更高级的结构仿生，只能形成具有微米级微结构的支架材料。新方对传统的静电纺丝技术进行了改进，实现了三维块状纳米纤维框架材料的制备，在三维成型的同时还可实现纳米级纤维微结构。利用这项技术可有助于实现骨组织的高级结构仿生。该技术主要利用组成成分的微单位在液体溶剂下的特性去操控静电纺丝纳米纤维组装成三维纳米纤维框架材料。同时与中方的技术结合，可实现矿化胶原纳米纤维的三维高级组装。并且，三维框架材料还可通过一种浸润矿化方法，实现HA 纳米晶在纳米纤维的表面矿化。此外，利用静电纺丝的定向技术，可以实现矿化胶原的定向排列，形成矿化胶原纤维束，不同排列方向的矿化胶原纤维束的交替转角排列，可模拟形成“板层骨”的 高级组装结构。将定向排列组装的类板层骨结构和随机排列的结构结合，有望在更高级组装水平上模拟“密致骨/松质骨”的复合结构。最终实现骨组织的多级仿生制备。 （2）类胶原基分级仿生骨修复纳米材料的准备 除胶原基材料外，我们还计划开发类胶原基嵌段聚合物骨材料。通过活性聚合制备嵌段聚合物并与类胶原多肽片段共价结合。其中，利用多肽片段模拟胶原蛋白的矿化位点。在多肽辅助下的嵌段聚合物通过自组装可以模拟胶原蛋白的多级组装结构。利用类胶原嵌段聚合物的组装体作模板合成纳米羟基磷灰石进行仿生矿化。结合嵌段聚合物的分子设计研究矿化机理以模拟胶原蛋白的矿化过程。此外，利用定向冷冻法制备含定向孔的矿化类胶原嵌段聚合物的组装体多孔支架材料。这样制得的多孔支架可从纳米尺度到微米尺度最终到宏观尺度下模拟天然骨的多级结构。在纳米尺度下，材料应具有胶原纤维的组装结构以及纳米羟基磷灰石的矿化结构。在亚微米尺度下可实现从类胶原嵌段聚合物和纳米羟基磷灰石晶体组装成类胶原微纤维、类胶原纤维和类胶原纤维束。在微米尺度下应具有与人类骨结构相似的定向 孔结构、孔隙率以及孔径大小。在宏观尺度下应具有与人类骨类似的形状及力学性能。同时，还可利用新方的静电纺丝三维制备技术，制备另一种类胶原基嵌段聚合物分级仿生骨修复纳米材料。 （3） 骨修复材料的生物活化 骨组织中，90%以上的有机基质成分是胶原蛋白。但非胶原蛋白虽然含量少，但种类非常丰富，并起着调控骨形成相关的生物学功能。本研究中计划采用四种功能多肽片段，通过EDC 化学交联剂对胶原基骨材料进行化学修饰和生物活化，使其具有生物活性功能，提高骨材料诱导成骨生长，诱导血管生成以及骨髓干细胞归巢能力等。 |
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This research project is to develop a novel three-dimensional hierarchically-assembled biomimetic nanofiber bone substitute composite for for large bone defect regeneration. Using our proposed approach, we are able to fabricate a hierarchically organized composite scaffold that mimics native bone organization from the level of nanometer to millimeter. Collagen is the most abundant structural protein in bone and regulates nano-HA deposition forming mineralized collagen fibers, which is the basic structural and mechanical building block of bone tissue. In our proposal, we developed biomimetic mineralization method for synthesizing mineralized collagen nanofibrous scaffolds, which componently and structurally mimic nature bone from the nano- to micrometer scale. Beyond that, we have recently developed a novel modified electrospinning setup which allows us to fabricate not only random and aligned fibrous arrays, but also block 3D nanofibrous scaffolds. The combination of these two novel skills allows us to fabricate a kind of synthetic bone that mimics the hierarchical levels of native bone organization from nanometer to millimeter. Besides, as we all know, non-collagen proteins and growth factors in ECM of bone are critical for the function of bone mineralization. We therefore designed several functional short peptides according to the non-collagen proteins and growth factors in ECM of bone to modify composite scaffold for promoting the bioactivity of our bone materials. This novel functional composite scaffold has the great potential to replace autografts in bone repair as a type of novel synthetic “real bone” if shown to be successful. The main contents of the research project are list as follows. (1) Fabrication of three-dimensional (3D) hierarchically-assembled biomimetic nanocomposites for bone graft applications; (2) Osteogenesis and angiogenesis of stem cells within the 3D biomimetic nanoscaffolds; (3) Evaluate the potential of 3D nanocomposite as a bone graft by large animal model with critical sized bone defect. |
2楼2013-06-17 13:24:16
