纳米磷灰石/聚氨酯可降解生物活性复合支架的仿生构建及生物学特性研究

The project imitates the inorganic nano-hydroxyapatite of human bone and the hydrophilic-hydrophobic microstructure of collagen, to design a nano composite scaffold of nano-hydroxyapatite and polyurethane with hydrophilic-hydrophobic microstructure,for regeneration and repair of bone defects. During the block polymerization of castor oil-based polyurethane and aliphatic isophorone diisocyanate,nano hydroxyapatite is addded as bone-like mineral. By using the self-foaming property of polyurethane, porous 3D scaffold can be prepared with good biocompatibility, bioactivity and ordered biodegradability.The scaffold is expected to be high-performance and harmonious on structure and function. Combination of organic interpenetrating network with inorganic nano effect, the scaffold mechanical and biological properties could be improved to match the needs of bone regeneration and repair, meanwhile to realize the ordered scaffold degradation accompanying bone regeneration by transesterification of castor oil with glycerol and ustilizing the wide distribution of molecular weight of castoer oil-based polyurethane.We will investigate the influence of different soft and hard segments (hydrophilic and hydrophobic phase) ，HA content and scaffold micro-nano structure on biomimetic characters and degradability, as well as how it stimulates the cell proliferation and guides the tissue regeneration. The results will be beneficial to provide some scientific evidence for the development of ordered degradable biomimetic composite biomaterials.

本项目模拟人骨无机纳米磷灰石和骨胶原亲疏水微结构，设计纳米磷灰石（HA）与具有亲疏水微结构的聚氨酯复合支架，用于缺损骨组织重建与修复。在合成基于植物蓖麻油和脂肪族二异氰酸酯的软硬嵌段聚氨酯过程中，装载纳米磷灰石仿骨矿物成分，利用聚氨酯自发泡催化特性构建三维多孔复合支架，以期实现良好生物相容性、优异生物活性和有序生物降解性，为不同部位骨缺损提供兼具结构性和功能性的高性能修复支架。其特点是协同有机互穿网络效应和无机纳米效应实现多孔支架力学性能和生物学性能的同步提升，满足骨再生修复的力学和生物活性要求；通过对蓖麻油酯化（羟基化）处理和利用蓖麻油基聚氨酯分子量分布较宽的特点，探索实现支架随着骨组织再生而匹配性地有序降解；研究不同软硬段（亲疏水相）、HA含量和支架微纳结构对力学和降解性能的影响以及在激发细胞生长、介导骨组织再生过程中担负的功能和作用，为开发新型有序降解仿生复合生物材料提供科学依据。

骨组织修复与再生是一个复杂的生物过程，临床上常用骨移植物来替代因创伤、感染或疾病而失去的骨骼，引导或刺激骨组织的再生。骨再生支架材料作为模拟骨三维空间结构的植入体，可提供骨组织生长的微环境，促进骨的修复和再生。本项目针对用于骨再生的脂肪族聚氨酯材料的特性进行探究，拓展绿色可再生资源高分子生物医用材料体系，开发符合临床需求的骨再生支架材料用于不同的骨缺损修复。以醇化植物蓖麻油和改性纳米羟基磷灰石，并利用聚氨酯原位聚合发泡特性构建三维多孔复合体，制备出从成分构成、尺寸特性到三维拓扑形貌仿生的聚氨酯纳米复合支架。该纳米复合支架中n-HA呈棒状纳米形态，与自然骨的无机成分相似，其含量可达40wt%，且在聚氨酯基质中均匀分散；醇化聚氨酯基体呈现出软硬嵌段的纳米域结构和亲疏水性质，与自然骨有机相的亲疏水嵌段性质相似；支架具有贯通孔结构，开孔孔隙率达到57%，总孔隙率可达80%以上，孔径集中在200~800μm之间，孔壁上分布有丰富的微孔，这与松质骨的多级孔结构相似。与微米羟基磷灰石/聚氨酯支架相比，n-HA/GCO-PU支架的力学性能更为优异，压缩强度和弹性模量分别达4.34MPa和165.36MPa，与自然松质骨的生物力学性能相匹配。纳米复合支架协同有机互穿网络效应和无机纳米效应实现了多孔支架力学性能和生物学性能的同步提升，均匀分布的有机/无机纳米界面在激发细胞生长、介导骨组织再生过程中担负重要功能和作用，能满足骨再生修复的力学和生物活性要求，是一种极有前景的骨组织修复支架材料。同时以聚氨酯的降解特性为着眼点，系统考察了纳米复合聚氨酯支架材料和荧光接枝聚氨酯支架材料的体内外降解性能。尤其对接枝钙黄绿素的聚氨酯支架材料的荧光标记特性进行了探索性研究，实现了对不同降解性聚氨酯的荧光标记和体内示踪，为监测聚合物生物降解材料提供了重要的示踪新方法，为聚合物支架材料的生物学评价提供了新的视角和手段。