聚多肽改性的介孔纳米羟基磷灰石/聚乳酸复合材料与生物医学应用

From the results of last project, the interface binding between nanoparticles and polymer matrix and mechanical properties of the composites have been improved to some extent after modification of hydroxyapatite (HA) nanoparticles with organic molecules, such as poly(L-lactide) (PLA), but it still lacked of biological activity and enough mechanical properties so as to hinder its application in orthopaedics. This project is going to sythesize mesoporous nano-HA with suitable pore size firstly by templating method. The nano-HA was then modified with poly peptides, such as poly poly(γ-benzyl-L-glutamic acid) (PBLG), by ring-opening polymerization or condensation polymerization. The modified nano-HA was dispersed into PLA or poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) to prepare biodegradable mesoporous nanocomposites. The further research will be undertaken for the nanocomposites used as bone fixing materials and bone tissue engineering scaffolds. The effects of surfactants, modification method, reaction condition and processing method on physical and chemical properties, drug loading properties and biological properties of the composites will be studied. The research is expected to not only improve the dispersion of nanoparticles in polymer matrix, the interface binding between nanoparticles and matrix, and the mechanical properties, but also increase the biological activity and the loading ability of growth factors. The materials will play an extremely important role in application for orthopedic fixation and tissue regeneration. Meanwhile, the development of mesoporous HA composites has profound theoretical guidance for innovation research in the field of biomedical materials.

前一基金工作表明，聚乳酸(PLA)等有机分子对纳米羟基磷灰石(HA)的表面改性，虽然一定程度上提高了复合材料的机械性能，但仍缺乏生物活性和足够的机械强度，阻碍了其在骨科的应用。本项目拟采用模板法先制备一定孔尺寸的介孔HA纳米粒子，然后以聚(γ-苄基-L-谷氨酸)(PBLG)等聚多肽作为改性分子，采用开环聚合或缩聚的方法对HA粒子进行改性，并与PLA或聚丙交酯-乙交酯(PLGA)复合，制备可生物降解的介孔纳米HA复合材料，开展骨科内固定及骨组织工程研究。研究表面活性剂、修饰方法、反应条件及加工方法对材料的物理化学性能、载药性能和生物学性能的影响。该方法不仅可改善HA粒子分散性和增强界面结合力，提高材料机械性能，还可提高生物活性和生长因子担载能力，在骨科内固定、组织修复等方面的应用有着极其重要的意义。同时，这种改性介孔HA复合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。

本项目较好地完成了预定的实验目标：1）系统地研究了基于CTAB为模板的介孔羟基磷灰石（MHA）的制备，研究了表面活性剂与PO43-的比例、溶液pH、反应温度和反应时间等对MHA的介孔结构和孔尺寸、粒子形貌、蛋白担载与释放行为等的影响；2）系统地研究了PBLG-g-MHA的制备反应，以聚（γ-苄基-L-谷氨酸）（PBLG）作为表面修饰分子，硅烷偶联剂KH-550对MHA表面预修饰，引发γ-苄基-L-谷氨酸-NCA（BLG-NCA）单体开环聚合，研究了硅烷偶联剂预修饰及PBLG接枝反应中投料比、反应温度、反应时间、产物纯化方法对终产物性质的影响，探究出了反应条件简单温和、可控性优良、接枝量调节范围大的反应条件；3）制备出了具有可控外形和优良孔隙结构的PBLG-g-MHA/PLGA组织工程支架，进行了制备工艺探索，获得了支架材料的力学性能、界面性质、生物相容性等的表征结果和动物试验结果；4）探究了一种基于PBLG-g-MHA的细胞微载体直接制备工艺。结果表明：1）基于CTAB为模板的MHA，与普通HA比较具有近似的棒状纳米颗粒结构，更大的比表面积和孔容积，吸附环境的pH值、释放环境的pH值可以显著影响MHA的释放行为。2）成功获得了反应条件温和、可控性较好的PBLG-g-MHA制备条件，通过改变投料比可获得接枝量为11.8%-57.9%的PBLG-g-MHA。3）体外和体内试验结果表明，PBLG-g-MHA对于成骨细胞的增殖具有促进作用，并且可以显著促进成骨细胞的成熟、细胞外基质的矿化，且成骨晚期相关基因在PBLG的作用下显著上调；共混有PBLG-g-MHA的PLGA多孔组织工程支架材料的最大压缩强度可达3 MPa，兔桡骨缺损修复实验表明，PBLG接枝量22.4%、33.1%的实验组骨缺损愈合明显好于其他材料组。4）制备出的PBLG-g-MHA微载体具有促进成骨细胞增殖及细胞外基质成熟、成骨晚期基因上调等的生物学特性。通过本项目获得的新型组织工程支架材料及细胞微载体，显示了广阔的骨组织工程应用前景。本项目的工作基础为后续生物活性材料以及智能响应性材料的研究和应用提供了良好的基础。共发表SCI论文13篇，IF＞3的9篇，申请专利9项，参加会议13次，会议特邀报告1个，邀请报告1个，会议口头报告6个。