磷酸吡哆醛为磷源合成形貌多样性羟基磷灰石/胶原支架促进骨再生及其机制研究

Hydroxyapatite/collagen (HAP/Coll) composite scaffolds share the similar composition with human bone, which have excellent biocompatibility and bone repair properties. The surface topography of the scaffold has an important influence on its osteogenic activity and bone repair performance. Previous experiments found that the morphology and size of hydroxyapatite could be controlled by altering the reaction conditions while using pyridoxal phosphate as a single source of phosphorus. On the basis of this, the project will carry out the following research work: (1) Synthesis of multi-morphological HAP nanostructures using pyridoxal phosphate as a source of phosphorus by microwave hydrothermal method; (2) Preparation of HAP/Coll porous scaffolds with different surface topographies and investigating the influence of different HAP nanostructures on the physicochemical properties of HAP/Coll scaffolds; (3) To study the effect of surface topographies of HAP/Coll scaffolds on their osteogenic activity and bone repair performance; (4) To further explore the relationship among the scaffold topographies, cell adhesion and osteogenic differentiation, analyzing the role of integrins/FAK/PI3K/AKT/GSK-3β/β-catenin pathway in the regulation of osteogenic differentiation of rBMSCs by scaffold surface topography. This project will provide an important scientific basis for the optimization of HAP/Coll porous scaffolds, and provide new knowledge and new means for the treatment of large bone defects in clinical practice.

羟基磷灰石/胶原（HAP/Coll）支架与人骨的成分相似，具有良好的生物相容性与成骨活性。支架的表面形貌对其成骨活性及骨修复性能有重要影响。前期工作发现以磷酸吡哆醛为磷源通过改变反应条件可调控HAP的形貌与尺寸。在此基础上，本项目将开展如下研究：（1）以磷酸吡哆醛为磷源，通过微波水热法合成不同形貌的HAP纳米结构；（2）冷冻干燥法制备表面形貌各异的HAP/Coll多孔支架，分析HAP形貌对支架理化性质的影响；（3）研究HAP/Coll支架表面形貌对其成骨活性及骨修复性能的影响；（4）探讨支架表面形貌-细胞粘附-成骨分化三之间的联系，分析整合素/FAK/PI3K/AKT/GSK-3β/β-catenin通路在HAP/Coll支架表面形貌调控rBMSCs成骨分化中的作用。本研究将为HAP/Coll多孔支架的优化提供重要的科学依据，为临床大段骨缺损的治疗提供新知识与新手段。

磷酸钙是人骨结构重要的无机组成部分，在骨缺损修复领域具有广阔的应用前景。前期研究发现纳米结构磷酸钙具有良好的成骨活性与骨修复作用。本课题主要研究了三个方面的内容并顺利完成研究任务：（1）通过控制反应体系pH，制备不同钙磷比且不含稳定剂的无定形磷酸钙（ACP），研究不同钙磷比无定形磷酸钙的物相变化特性及对大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）成骨分化的影响；制备ACP/胶原复合支架，评估ACP/胶原支架的骨修复作用（2）采用最佳钙磷比的无定形磷酸钙与柠檬酸甘油酯（GC）进行复合，构建基于材料本身成骨、成血管双重生物学活性骨修复支架，体外评估支架的生物相容性和成骨、成血管效果，在体内通过大鼠极限颅骨缺损模型，评估其成骨成血管活性及其在骨缺损修复中的应用；（3）研究以三磷酸腺苷（ATP）为磷源合成的纳米磷酸钙微球的成骨成血管活性，以及其在肩袖损伤模型中促进腱骨愈合过程中的作用。通过上述研究我们得出以下结论：（1）钙磷比为1.5 时，ACP 更为稳定，生物学作用最佳；ACP 物相变化过程能通过激活PI3K/Akt 信号通路，诱导rBMSCs 成骨分化；（2）GC-ACP 复合支架有着良好的生物相容性和成骨、成血管活性，可同时诱导骨与血管的再生，促进大鼠颅骨极限骨缺损的修复。（3）具有介孔结构的ATP-ACP纳米微球具有良好的成骨成血管活性，应用于动物肩袖损伤模型，可有效促进腱骨愈合进程。本项目研究表明通过调控磷酸钙材料钙磷比可改变磷酸钙材料物相及其生物活性，以有机含磷分子（ATP）为磷源制备的纳米磷酸钙材料具备优良的生物活性，上述改性磷酸钙材料在骨缺损修复及促进腱骨愈合方面具有良好的应用前景。