具有缺陷发光特性的多功能羟基磷灰石基纳米材料的构建及在骨修复中的应用研究

The mesoporous hydroxyapatite-based nanomaterials are considered to be excellent bone repair materials due to their good biocompatibility, bioactivity, and osteoconductivity, and can diliver antibiotic drug to control infection and improve bone healing. Therefore, it is of great significance to develop the multifunctional bone repair materials for the treatment of orthopedic disorders and bone reconstruction. However, the mesoporous hydroxyapatite-based nanomaterials can not monitor and track the degradation, bone repair, and drug release processes because they do not have the functional characteristics such as luminescence, electricity, magnetism, etc. In this proposal, it is expected to synthesize the defect-related luminescent, mesoporous, and biodegradable hydroxyapatite-based nanomaterials with drug release properties which do not contain rare earth and transition metal activator ions. The as-obtained nanomaterils are modified with chitosan to improve the proliferation of osteoblasts and bone repair ability, and loaded the antibiotics to enhance the anti-infection ability. The biodegradation, bone repair, and drug release processes of the nanomaterials can be monitored and tracked by the change of defect-related luminescence. The overall purpose is to obtain the multifunctional namomaterials with bone repair and drug delivery abilities. This project can also lay a good foundation for the development of fluorescence-functionalized mesoporous hydroxyapatite based biomedical nanodevices.

介孔羟基磷灰石基纳米材料因其良好的生物相容性、生物活性及骨传导性，可作为骨修复材料应用于骨缺损疾病，该类骨修复材料作为载体负载抗生素药物还可起到控制感染、促进骨愈合的作用，因此这种多功能骨修复材料对骨科疾病的治疗及骨组织的修复和重建有重要的研究意义。然而，此类材料本身并不具备光、电、磁等功能特性，因此无法对材料的降解过程、骨修复过程及药物释放过程进行跟踪和监测。本项目拟设计合成不含稀土或过渡金属激活离子、可降解、且具有缓释功能的介孔羟基磷灰石基纳米缺陷发光材料，并通过壳聚糖的修饰进一步提高纳米材料促成骨细胞增殖的能力并改善其骨修复性能，在该材料上负载抗生素药物使其具有抗感染能力，通过荧光影像来监测和示踪该体系在体内/体外的生物降解过程、骨修复过程及药物的释放过程，获得具有骨缺损修复功能及药物输运能力的多功能纳米骨修复材料，为基于光功能化介孔羟基磷灰石的纳米生物医学功能器件的开发打下基础。

介孔羟基磷灰石基纳米材料因其良好的生物相容性、生物活性及骨传导性，可作为骨修复材料应用于骨缺损疾病。该类骨修复材料作为载体负载抗生素药物还可起到控制感染、促进骨愈合的作用，因此，此类材料对骨组织的修复和重建有重要的研究意义。本项目在纳米羟基磷灰石材料的制备及在生物医学领域的应用方面开展了一系列研究工作。本研究制备出了一系列不同形貌的羟基磷灰石纳微米材料，并对其生物相容性、药物缓释行为及其促进骨生长和骨分化的作用机理等方面进行了很好阐述。具体研究内容包括：(i) 通过静电纺丝技术获得了直径在100 nm左右、具有缺陷发光特性的SiO2/HAP复合纳米纤维材料，研究了样品对药物的负载和缓释特性以及在缓冲溶液中的降解性能和在细胞中的生物活性，此材料在药物负载/控释以及疾病诊疗等领域表现出潜在的应用价值；(ii) 通过水热法合成了三种不同形貌和尺寸的缺陷发光HAP纳米/微米颗粒，从各个方面考察了材料的生物相容性，研究了成骨细胞摄取缺陷发光材料的内吞作用机制及亚细胞定位以及材料对成骨细胞成骨分化的影响；(iii) 纳米级的磷酸钙生物材料因其具有与自然骨的无机成分组成类似的特点，在骨组织修复中的应用研究引起广泛关注。设计合成了4种掺杂不同比例锶的HAP 纳米棒并研究了其结构、组成及形貌。研究了载体对阿伦磷酸钠的吸附、释放行为及释药机制。此载体与药物可能起到协同治疗的作用，在骨质疏松治疗方面具有潜在的应用前景；(iv) 采用水热法合成了具有缺陷发光性质的羟基磷灰石纳米棒，并详细研究了材料在细胞内调控骨髓间充质干细胞成骨分化的分子机制，该研究对治疗骨代谢疾病提供了理论依据；(v) 在上述研究基础上，还拓展了研究内容。合成了尺寸均一、分散性好、具有荧光特性的SiO2和CaSiO3纳米球及一维SiO2/ZnO纳米纤维，此类材料因其具有粒径适中、比表面积大、载药量高、生物相容性好等优点有望应用于药物传输及疾病诊疗等领域。本项目完成了预期的研究任务，相关研究成果在ACS Appl. Mater. Interfaces、Biol. Trace Elem. Res.、J. Nanopart. Res.、Dyes Pigments等SCI收录国际学术期刊上发表论文23篇。