基于微纳图形与表面修饰协同效应的仿生矿化研究

本项目拟从仿生的角度出发，模拟天然骨中的矿化机制，通过新型微加工和微制造的方法，对临床上常用的生物医用材料表面微纳米尺度的几何形貌和物理化学性质进行设计，并与表面改性相结合，探讨不同微纳结构特征与表面功能团对磷酸钙仿生矿化协同效应。力图揭示基底材料和表面微图形对磷酸钙仿生矿化的协同作用规律，阐明磷酸钙晶体在表面微纳结构调控下的形核过程和生长机理。并与材料计算相结合，在原子分子层次上对晶体生长界面的微纳结构、界面附近溶液成分、界面的物质输运和界面反应进行深入研究。预期结果希望能进一步阐明调控磷酸钙晶体生长的界面热力学与动力学问题，为特定结构功能的磷酸钙可控生长奠定理论基础。同时，期望能解释表面微纳结构和生物活性的关系，即如何通过改善表面微纳结构来更好实现生物兼容并诱导磷酸钙的矿化，为植入性生物材料的表面与结构设计提供依据。

本项目从仿生的角度出发，模拟天然骨中的矿化机制，通过新型微加工和微制造的方法，对临床上常用的生物医用材料表面微纳结构的几何形貌和物理化学性质进行设计，并与表面改性相结合，探讨不同微纳结构特征与表面功能团对磷酸钙仿生矿化协同效应。完成具体工作包括如下几个方面。在钛基体表面合成了具有微纳结构的TiO2纳米线，并通过此种纳米线诱导仿生矿化。利用模拟体液研究羟基磷灰石在具有微纳结构钛表面的仿生矿化。在水热环境中，以TiO2纳米管作为模板调控晶体形核，通过尿素热分解反应控制环境气氛调控晶体生长，从而制备出具有六方特征的羟基磷灰石,并结合计算机模拟讨论晶体生长机理。通过冷冻干燥法制备有三维微结构的壳聚糖/羟基磷灰石、壳聚糖/明胶复合多孔材料，研究具有三维微纳结构的支架材料在仿生条件下矿化过程。通过微转移模塑法，制得了多种壳聚糖微图形（圆形点阵、方形点阵、沟槽和波浪），研究发现不同微图形对细胞的分化和增殖有不同影响。结合转移微模塑法及自组装技术，将牛血清白蛋白和壳聚糖在钛基片上自组装，得到交叉图案的复合微图形，研究了成骨细胞在其表面的行为。对钛表面进行仿生功能化，采用化学交联，纳米颗粒包裹，层层自组装等方法，在钛表面固定蛋白，多肽，氨基酸，并研究具有微纳结构的功能化钛表面在体外/体内诱导组织再生的情况。在功能化的钛表面制备了壳聚糖和骨形态发生蛋白BMP-2的复合涂层，在保持BMP-2活性的基础上，实现了BMP-2的缓慢释放，研究了其在体内的诱导成骨情况。结合电化学沉积等方法，将生物活性陶瓷，纳米银等与生物分子共同固定在钛表面。研究仿生功能化生物材料表面对细胞行为的影响，完成相关样品的动物实验，优化了诱导和刺激骨整合的生物材料表面，验证了微纳结构化与仿生功能化的协同效应。此外，研究了蛋白，多肽，氨基酸对矿化影响机理，初步完成了一些理论模型工作。本研究结果进一步阐明了调控磷酸钙晶体生长的分子机制，为特定结构功能的磷酸钙可控生长提供理论基础。同时，进一步解释表面微纳结构和生物活性的关系，即如何通过改善表面微纳结构来更好实现生物活性与组织再生，为植入性生物材料的表面与结构设计提供依据。