噬菌体展示DMP-1肽介导丝素生物矿化及其仿骨支架的构建

Bone tissue damage can seriously affect the people's normal life activities and physical health. However, the traditional methods for constructing biomimetic bone scaffold materials have many disadvantages, such as a lack of the mimicking of the basic structure in natural bone, insufficient mechanical properties and poor osteoinductivity. Therefore, the development of new bone scaffold materials for repairing bone defects has important research significance. M13 phage, a type of human-safe biological nanowires, can display foreign peptides on the surface by a technique called phage-display. Therefore, this project will display exogenous dentin matrix protein-1 (DMP-1) peptides on the phage surface and assembled with silk fibroin into composite fiber bundles. The composite fiber bundles can be used to regulate the nucleation of hydroxyapatite (HA) and to form HA/phage/fibroin fiber bundle structures. HA/phage/fibroin fiber bundles were assembled into a matrix material with a specific nano-topography by a solvent evaporation self-assembly technique, which can precisely and efficiently induce MSC differentiation into osteoblasts. Finally, the matrix material will be injected into the ectopic bone models in vivo to regenerate the osteogenic tissue. Overcoming the limitations of the conventional bone scaffolds, this proposed project will develop a new generation of biomimetic bone scaffold materials by using mineralized silk fibroin and multifunctional phage nanofibers. The successful completion of this project will provide experimental supports and lay the foundation for the eventual goal of the clinical application.

骨组织损伤严重影响人体的正常生命活动和身体健康。针对现有人工骨材料存在仿骨结构不完全、力学性能不足、骨诱导性差等问题。开发新型骨修复材料用于修复骨缺损疾病有重要的研究意义。M13噬菌体是一种对人体无害的生物纳米线，其表面可通过噬菌体展示技术展示外源多肽。因此，本项目首先将牙本质基质蛋白-1 展示在噬菌体衣壳蛋白表面，并将其与丝素纳米纤维共同组装成复合纤维束，用于羟基磷灰石（HA）的成核与生长，形成纳米级的HA/噬菌体/丝素纤维束结构；通过溶剂挥发自组装技术将HA/噬菌体/丝素纤维束组装成具有特定拓扑结构的基质材料，来精确、高效调控间充质干细胞（MSC）向成骨细胞的分化，并将基质材料用于体内异位骨模型的成骨，验证材料的骨诱导效果。本项目通过合理搭配丝素蛋白和噬菌体两种纳米纤维的优势构建仿骨材料，打破了仿骨材料开发的传统思路，为开发具有临床应用前景的新型仿骨支架材料提供思路。

针对现有人工骨材料存在微观结构仿生不完全、骨诱导性差等问题。开发新型骨修复材料用于骨缺损疾病的高效修复有重要的研究意义。M13噬菌体是一种对人体无害的生物纳米病毒，其表面可通过噬菌体展示技术展示外源多肽。本项目在我们前期的工作基础之上，使用M13噬菌体展示技术将牙本质基质蛋白-1(DMP-1)核心肽序列展示在M13噬菌体的P8衣壳蛋白表面；通过自组装方法将其与再生丝素纳米纤维共同组装成复合纳米纤维束，用于羟基磷灰石（HA）在纳米纤维束的内部成核与生长，形成纳米级的HA/噬菌体/丝素纤维束结构，并提高丝素蛋白的生物矿化能力；再通过溶剂挥发自组装技术将HA/噬菌体/丝素纤维束组装成具有特定“沟壑状”结构的基质材料。该纳米拓扑材料能够在不添加成骨诱导剂的情况下高效诱导间充质干细胞（MSC）向成骨细胞的分化。此外，我们还使用体内异位骨模型来验证矿化后丝素蛋白材料的骨诱导效果。研究发现：矿化后丝素蛋白膜具有良好的体内组织相容性和一定的降解能力，并证实矿化丝素膜能够显著性促进异位骨组织中骨基质蛋白的表的生成，因此矿化膜具有良好的骨诱导效果。本项目将噬菌体技术引入丝素蛋白基生物医用材料的构建，通过合理搭配丝素蛋白和M13噬菌体两种纳米纤维的优势构建在纳米-微米尺度仿骨的二维基质材料，因此能够为开发具有临床应用前景的新型仿骨支架材料提供思路。