可注射原位固化成孔的纳米复合组织工程支架与骨修复

The project is based on our research progress in the fields of composite scaffold of mesoporous hydroxyapatite nanoparticles (HA) and poly(lactide-co-glycolide)(PLGA) for bone tissue engineering. To reach the better fusion between the implants and bone defects so as to improve bone regeration,the project is going to design and develop a series of injectable HA/PLGA nanocomposite scaffold with in situ solidification and pore formation for tissue engineering. Gelatin and other water soluble polymers will be used to prepare microspheres as in vivo porogenic agents, and N-Methylpyrrolidone (NMP) and othersstrong polar solvents will be selected and employed as the replacement solvent in this project. The biocomptability, fluidity, the rate of solidification and pore formtion, as well as the biodegradability and osteogenic properties, will be studied , and their related factors and mechanics will be discussed. The valuable ways to carry growth factors, genes and osteogenic peptides via HA and microspheres will be explored, and their release phases and mechanics will also be studied. The research is expected to not only improve the fusion quality between the implants and bone defects, the initial mechanical properties of the scaffolds, but also increase the loading capacity of drugs and growth factors. The materials will play an extremely important role in application for orthopedic fixation and tissue regeneration. Meanwhile, the development of injectable materials with in situ solidification and pore formation has profound theoretical guidance for innovation research in the field of biomedical materials.

在前期对（介孔）纳米羟基磷灰石（HA）和聚丙交酯-乙交酯（PLGA）复合材料和组织工程支架的研究基础上，为使移植材料与宿主骨缺损部位更好的整合，促进骨再生修复，拓宽骨材料的临床应用范围，拟采用明胶等水溶性高分子微球作为体内致孔剂，以N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP)等强极性溶剂作为置换溶剂，设计制备可注射、原位固化和致孔的HA/PLGA纳米复合材料和组织工程支架。研究材料的生物相容性、流动性、固化速率、成孔速率和降解性能及成骨性能的相关影响因素和机制；探索通过HA或微球致孔剂担载和保持生长因子（或基因）和成骨多肽活性的可行途径、释放时相和机制。该方法不仅可改善移植物与骨缺损部位拟合程度，提高植入材料初始机械性能，还可提高药物和生长因子担载能力，在骨科内固定、组织修复等方面应用有着极其重要的意义。同时，这种可注射原位固化成孔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）通过对比了几种低毒性的高分子溶剂，选择了NMP为可置换溶剂。（2）采用O/W制备了明胶微球（MGs）；以MGs为致孔剂NMP为溶剂，制备了可注射的HA/MGs/PLGA支架材料。评估了材料组分与注射性、固化能力及材料稳定性、孔隙结构、机械性能和细胞毒性的关系；并以MGs为生长因子（rhBMP-2）的载体，评估担载rhBMP-2的MGs/HA/PLGA材料体内骨修复效果。（3）采用熔融纺丝方法制备微纳米尺度的PGA纤维，并以PGA为致孔剂制备了PGA/HA/PLGA支架。系统研究了复合材料体系组成对可注射性及固化后支架的微观结构、固化速度、机械性能及细胞毒性的影响；研究了PGA/HA/PLGA支架体外降解规律；并评估了PGA/HA/PLGA支架搭载DOPA-IGF1体内骨修复能力。.研究结果表明：（1）采用相转化方法制备了带有微通道的多孔支架材料，通过SEM观察到孔道直径在1微米左右，利于支架内外的物质交换。30%PLGA(H)的机械强度较好，适合用于负重部位的骨缺损。通过细胞实验发现30%PLGA(H)促进了细胞的增殖，并诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化。带有微孔道的30%PLGA(H)体内骨修复能力优于不带有微孔道的模压成型支架。（2）采用O/W制备MGs；调整MGs的比例可以得到不同机械强度的MGs/HA/PLGA注射材料；毒性实验显示材料2小时内存在急性细胞毒性，2小时后急性细胞毒性消失。支架材料具有良好的可注射性，早期具有高机械强度，提供足够的机械支撑，后期随着内部明胶球的不断降解逐渐出现空隙，利用细胞的长入。可注射材料有修复骨缺损的能力，载rhBMP-2的可注射支架骨修复能力更佳。（3）熔融纺丝得到直径70-191μm的PGA纤维。通过提高PGA纤维含量，复合材料的力学性能逐渐增强。细胞毒性主要集中在浸泡的前4小时。随着降解时间的延长，复合材料的孔隙率和孔径均逐渐增大，提高PGA纤维含量可以加速复合材料的体外降解。体内实验结果显示，复合材料的生物降解速率与骨重建速度相匹配，搭载生长因子且含30或50%PGA纤维含量的支架材料的骨缺损修复效果最好。