基于钛亲和性生物模拟活性肽双向调控骨形成和骨吸收促进钛植入材料骨整合效应的研究

The improvement of osseointegration and enhancement of new bone formation at the interface of medical implants (e.g., Titanium biomaterials) are crucial in the orthopedic surgery treatment. Efficient regulating the balance of bone formation and bone resorption on titanium-based implants by introduction of bioactivity, especially in the osteoporosis patients, is of great significance for clinical stability of the established Ti implants. BMP-2 knuckle peptide, the bioactive sequence of BMP-2 protein, possesses obvious advantages including stable bioactivity and the flexibility for chemical modification. In this project, we will develop a novel biomimetic peptide based on BMP-2 knuckle peptide and the titanium-binding peptide we previously reported. The new biomimetic titanium-binding bioactive peptide could be easily used for one-step modification of Ti implants. Besides the surface properties and biocompatibility of the grafted titanium implants, we will also give detailed study on the effects on regulating mesenchymal stem cell-derived osteoblast differentiation and macrophage-derived osteoclast formation in vitro. In addition, to explore the mechanism between bone formation and bone resorption in vivo, the rat model with osteoporosis will be studied. In short, this project will provide both theoretical and experimental foundations on the development of efficient BMP-2 mimetic peptides for improved osseointegration of titanium-based implants under different bone metabolism conditions.

提高植入物（如钛基材料）与周边组织的骨整合性是骨科患者治疗中的关键问题。通过引入生物活性分子有效调节骨形成和骨吸收平衡，对于提高钛植入材料的骨整合性，特别是特殊临床症状下（如骨质疏松症）的稳定性具有重要的意义。BMP-2关节肽为BMP-2蛋白的活性序列，具有活性稳定和易于化学改性的优点。本项目将具有成骨活性的BMP-2关节肽与前期研发的钛亲和性仿生肽结合，设计出新型钛亲和性成骨肽，可“一步法”将BMP-2活性引入钛植入材料表面。基于此，研究改性表面的理化特征和生物相容性；同时，建立大鼠骨质疏松症模型，探讨改性表面BMP-2肽对不同骨代谢状态下成骨细胞和破骨细胞的活化调控作用，评估改性钛钉植入体内后BMP-2肽双向调控骨形成和骨吸收对骨整合的影响，阐明BMP-2肽促进骨整合的作用机制。此项研究可为临床应用BMP-2肽及在不同骨代谢状态下实施促进钛植入材料骨整合的新策略提供实验基础和理论依据。

提高植入物（如钛基材料）与周边组织的骨整合性是骨科患者治疗中的关键问题。通过引入生物活性分子有效调节骨形成和骨吸收平衡，对于提高钛植入材料的骨整合性，特别是特殊临床症状下（如骨质疏松症）的稳定性具有重要的意义。BMP-2关节肽为BMP-2蛋白的活性序列，具有活性稳定和易于化学改性的优点。本项目将生物正交点击反应（即DBCO-Azide环加成）的特异性、快速性、彻底性和生物相容性与贻贝足蛋白分子（DOPA-Azide）的粘附机制相结合，设计出新型钛亲和性成骨肽（DOPA-Azide @ DBCO-BMP-2，简称DOPA@ BMP-2），可通过浸泡方式将BMP-2活性引入钛植入材料表面，探讨改性表面DOPA@ BMP-2对不同骨代谢状态下成骨细胞和破骨细胞的活化调控作用，阐明改性钛钉植入体内后对骨整合的影响及作用机制。体外研究结果显示：DOPA@ BMP-2与具有吸附作用的DOPA@RGD多肽联合，促进了正常和骨质疏松大鼠骨髓来源的间充质干细胞（MSCs）粘附和成骨效应，其中BMP-2/RGD最适混合比例为3:1；体内结果显示DOPA@ BMP-2与DOPA@RGD（3:1）可赋予钛钉具备细胞粘附和成骨双功能，促进改性钛钉植入骨质疏松大鼠体内的骨整合，micro-CT和组织学染色显示双功能钛钉周围有更多的新骨生成，力学拔出实验显示骨-钉界面的结合更牢固。进一步研究表明DOPA@ BMP-2可通过BMP/SMAD信号通路促进骨质疏松大鼠MSCs成骨分化、通过NF-κB信号通路调控大鼠巨噬细胞向M2极化，通过抑制炎症微环境协同促进钛钉骨整合。此外，本项目还基于生物正交点击反应和DOPA氨基酸构建了多种功能基团，开展了多种骨科材料和多项功能的普适性研究，研究结果显示DOPA基团提高了植入材料（如铁、PEEK等材料）表面的亲水性和表面粗糙度，有助于材料体内移植的相容性，同时通过表面改性实现不同骨科生物材料的多种生物功能（如抗菌、成骨、免疫调节等）。本项目为临床应用包括DOPA@ BMP-2在内的多种功能基团及在不同骨代谢状态下实施促进骨科植入材料骨整合的新策略提供实验基础和理论依据。