体内可MRI示踪的磁响应性纳米陶瓷高分子材料与骨组织工程

Aimed at the disadvantages of polymer materials for bone tissue engineering, including poor osseointegration, uncontrolled degradation rate and lack of real-time monitoring, and based on the research work of last project, the core-shell magnetic nano-ceramic materials containing Fe3O4/GdPO4 will be designed and synthesized in this project by homogeneous precipitation method and solvothermal method. Then the magnetic nanoparticles will be modified with poly peptides(e.g., poly lysine) and mixed with absorbable ester certificated by FDA to prepare a novel traceable and recoverable bone implant/scaffold. The research on MRI enhancement effect and X-ray imaging, biocompatibility, degradation properties and relevant influence factors and mechanism of osteogenesis will be investigated. Under the pulse electromagnetic field, the influence of magnetic responsiveness and magnetocaloric effect on material’s degradation and osteoblast differentiation will be studied. The approach for loading and controlling delivery of the growth factors (or genes) and osteogenesis peptide by nanomaterials, its release phase and release mechanism will be discussed. The research is expected to not only solve the problem of polymer implant’s stracing and improve the controllable degradation performance of implant materials, but also improve the ability of loading and directional release of drugs/growth factors. The materials will play an extremely important role in application for orthopedic fixation and tissue regeneration. Meanwhile, the development of tracable implant materials with controllable degradation and magnetic responsiveness has profound theoretical guidance for innovation research in the field of biomedical materials.

针对目前高分子骨组织工程材料存在成骨性能差、降解速率不可控和缺乏体内实时监视功能等缺陷，在原有基金基础上设计制备核壳结构的含四氧化三铁/磷酸钆磁性纳米陶瓷材料，通过聚赖氨酸等聚多肽表面改性，与美国FDA许可的可吸收聚酯复合，制备体内可示踪和有利于骨修复的骨科植入材料和支架。研究材料对核磁共振显影及X射线显影的增强效应，及生物相容性、降解性能和成骨性能的相关影响因素和机制；研究脉冲磁场下的磁热效应和磁响应性对材料降解和成骨细胞生长分化的影响，以及该材料担载和控制生长因子（或基因）和成骨多肽释放的可行途径、释放时相和机制。该方法不仅可解决高分子植入材料目前无法示踪的难题，提高植入材料降解调控性能，还可提高药物和生长因子担载和定向释放能力，在骨科内固定、组织修复等方面应用有着极其重要意义。同时，这种可示踪、降解可控和磁响应性植入材料的研究开发对于生物医用材料领域的创新研究有着深刻的理论指导价值。

1)本项目合成不同Gd基（如Gd2O3、Gd2O2S、GdPO4H2O和GdPO4）磁性纳米材料，将其分别与HA/PLGA复合，发现适量的Gd基磁性纳米材料加入，MRI和CT具有明显的成像信号，并可以通过MRI和CT同时监测体内骨植入物的变化和新骨的生长状况，其中以GdPO4H2O效果最好。2)本项目探索合成了表面修饰聚谷氨酸的产物GdPO4·H2O/PBLG以提高复合材料的生物相容性。结果表明适量的PBLG修饰获得的产物能够与可降解高分子材料均匀混合。但与未修饰的GdPO4·H2O相比，产物的MRI成像信号强度明显变弱。3)本项目合成了Gd-BTO NPs，并与PLGA复合制备纳米复合材料。该复合材料具有与骨骼匹配的压电和介电性能，并在高压极化后产生负表面电位。此外，Gd的引入不仅增强了MRI和x射线成像，而且影响复合材料的电学性能，最终调控MC3T3-E1的成骨分化。这项工作利用Gd-BTO纳米颗粒构建了一种可追踪的电活性材料，显示出更高的骨再生应用潜力。4)在Gd材料的研究基础上，本项目还研究了传统的T2核磁造影剂超顺磁性的四氧化三铁（IO），制备了表面修饰油酸的四氧化三铁纳米粒子（IO-OA NPs），以PLGA为基体制备均匀分散的IO-OA/PLGA磁性纳米复合材料。在体外静磁场（SMF）存在的情况下，IO-OA/PLGA通过磁驱动的机械刺激显著改善了细胞附着和成骨分化。这项研究表明，磁驱动纳米机械刺激可以增强磁性复合材料和磁刺激的协同效应，从而增强成骨分化，并为骨组织工程和再生医学应用中加速骨形成的潜在策略奠定基础。5)本项目首次建立了磁控生物降解模型，探讨了磁性支架在AMF产生的磁热微环境中的降解行为。结果表明，IO磁性纳米颗粒能在AMF作用下加热支架，显著加速支架的降解。特别是IO-OA磁性纳米颗粒具有更好的界面相容性，表现出更高的加热效率，进一步促进降解。此外，分子动力学模拟表明，磁性纳米颗粒与聚合物基体之间增强的运动关联可以加速能量传递。作为概念验证，我们论证了磁控降解技术在植入物中的可行性，并为纳米材料的热效率优化提供了策略，对临床医学具有重要的指导意义。本项目执行期间共发表SCI检索文章24篇；申请专利7项参加会议11人次。