无机生物材料自组装构建人造原细胞及其在骨修复中的应用

Controlled self-assembly of functional nanomaterials and their applications are the recent focus on nanomaterial research. Regeneration and repair of bone defects has always been an important research area in oral and bone repair clinical fields. This proposal is intend to construct bone morphogenetic proteins or stem cells containing artificial protocells in the form of water-in-oil Pickering emulsion that stabilized by amphiphilic hybrid nanoparticles of hydroxyapatite/β-tricalcium phosphate. The artificial protocells will be used for the research of bone regeneration or repairing. As β-tricalcium phosphate could be biodegraded in physiological environment that will become calcium and phosphorus sources during repairing bone defects. The bone morphogenetic proteins containing and hydroxyapatite/β-tricalcium phosphate hybrid nanoparticles stabilized artificial protocells could keep the local high concentration of the protein, simultaneously provide the mineral sources during bone repairing, that would promote the bone formation. To our knowledge, this should be the first attempt to introduce the concept of artificial protocells into bone repairing research.

可控自组装体系及其功能化是近年来纳米材料的研究重点,缺损骨骼的再生修复一直是口腔医学和临床医学等领域的重要研究内容。本项目欲以表面修饰改性（具有双亲性）的羟基磷灰石/β-磷酸三钙复合纳米粒子，通过油水界面自组装构建内含骨形成蛋白或干细胞等生物活性物质的人造原细胞（既油包水型Pickering乳液）,利用β-磷酸三钙在生理环境下降解后的矿物质,原位生物矿化修复骨质。本项目首次将无机人造原细胞这一新概念引入到骨修复研究中，充分利用人造原细胞的限域效应，保证骨形成蛋白在骨修复区域的局部高浓度，不仅可以有效减少骨形成蛋白的流失，极大提高骨形成蛋白的利用率，而且可以充分利用矿物源与骨形成蛋白处于同一微环境的优势，促进骨质的高效修复生长。

自20世纪初期发现骨诱导现象以来，具有骨诱导潜力的创新生物材料就已成为骨修复的候选材料。近来，人造原细胞模型已经证明了在组织再生中的巨大潜力。本项目通过在生物兼容的玉米油及水界面自组装可生物降解双相磷酸盐颗粒制备内含骨形成蛋白（BMP2）的人造原细胞（即油包水型Pickering乳液），从而开发出具有生物活性的人造原成骨细胞，以实现局部可控高效缓释BMP2。人造原骨细胞的优点是：（1）无需手术，可直接注射到靶标位置，以防止BMP2扩散引起的副作用，并最大程度地减少手术并发症；（2）具有体外和体内模型所显示的骨诱导能力，（3）通过利用可生物降解的磷酸钙壳来提高钙化沉积。与对照组相比，人造原骨细胞中BMP2的骨诱导潜力效率提高了25倍。这项研究首次展示了一种利用基于材料的人造原骨细胞来解决骨组织修复和再生中医学问题的新策略。