基于趋化因子/BMP-2骨再生材料的构建及其协同促进成骨机制

Fabrication of guided bone tissue regeneration materials (GBTR) based on the special functional materials and growth factors is an ideal strategy to enhance the osteoactivity of the available bone repair materials. Therefore, focusing on the key links "target cell homing, osteodifferentation and tissue formation" in the bone regeneration, with the chitosan microsphere-coated mesoporous/macroporous silicon-based scaffold as matrix, we will design and develop a new cell chemotactic factor (CCF)/BMP-2-incorporated GBTR scaffold. By controlling the spatiotemporal distribution, time-sequence release will be realized according to the need of the bone regeneration process. Together with the excellent cellular infiltration and nutrient and waste transport provided by the macroporous scaffold, high-quality bone regeneration will be achieved. With the help of in vitro cell migration and quantum dot labelling technology, the effects of the different combination and time-sequence release of CCF and BMP-2 on the cell migration , recruitment and osteodifferentation will be thoroughly investigated. Further combinated with the results of the ectopic and in-situ GBTR, the theory about the synergistic effects between CCF and BMP-2, CCF/BMP-2 and scaffold will be summarized and revealed. These study will provide theoretical basis for research on novel high quality bone repair material as well as its clinical application. Based on these studies, a new CCF/BMP-2-based GBTR will be developed to solve the clinic problem.

基于"特殊材料和生长因子"构建引导组织再生材料是提升现有骨修复材料活性的理想途径。为此，本项目紧扣骨组织再生过程中"靶细胞富集、分化和组织形成"等环节，以表面吸附壳聚糖微球的介孔/大孔硅基支架材料为基质，设计构建并活性组装细胞趋化因子（CCF）和BMP-2共同修饰的新型引导骨组织再生材料。通过CCF和BMP-2在壳聚糖微球和介孔中时空分布的不同实现其在体内的时序释放，同时依靠大孔支架来确保细胞长入和营养物质的输送，实现骨组织快速修复。研究将借助体外细胞迁移、量子点标记和生物学评价等，从细胞和分子水平研究生长因子的不同配伍及时序释放等对干细胞募集和分化过程的影响规律及机制；进一步结合体内异位和原位骨组织再生的研究结果，集成出CCF与BMP-2、CCF/BMP-2与支架材料协同引导骨再生的理论模型，为高质量骨修复材料的研制与临床应用提供理论依据。并研制出高活性骨组织修复材料，解决临床难题。

“原位引导组织再生”通过模拟自然愈合过程，利用生物材料装载活性生长因子，通过干细胞募集、骨向分化等关键环节的调控，激活人体再生能力，实现骨组织的高质量修复。本论文基于软骨内成骨再生过程的关键环节，以多级微纳结构支架为基础，将BMP-2固载在与其分子尺寸匹配的介孔内，实现长效缓释；支架表面涂覆PEG化的聚癸二酸甘油酯（PEGS）涂层作为物理隔离，将趋化因子物理吸附于涂层表面，构建新型BMP-2缓/控释体系，并借助细胞趋化因子的协同作用强化和促进BMP-2负载型原位引导组织再生材料的成骨活性。研究结果发现：①作为一种炎性趋化因子，白介素-8（IL-8）比传统SDF-1α具有更强的干细胞募集能力；②孔口直径约为5.5 nm、孔道直径约为7.5 nm的介孔生物玻璃（MBG）对BMP-2表现出高固载量、较佳缓释性能以及活性保持，是一种理想的BMP-2缓释载体；采用多级结构介孔生物玻璃（MBG）和表面涂覆PEG化的聚癸二酸甘油酯（PEGS）涂层可实现IL-8的快速释放和BMP-2的缓慢释放。③快速释放的IL-8在募集干细胞的同时，不仅上调细胞成软骨相关基因（Acan和Col 2a1）、诱导形成大量软骨组织，给软骨内成骨提供组织层面的“准备状态”，还能促进BMP受体在细胞质内表达和向细胞膜转移，提高BMP-2的成骨诱导作用效率，为成骨提供细胞层面的“准备状态”。该体系的因子时序刺激促进成骨初期的“软骨/骨平衡”，同时MBG/PEGS支架体系提供优良的骨传导性能，最终共同实现早期大量成骨的快速再生效果。 ④ 引入壳聚糖微球（CMs）和MBG支架精确控制IL-8和BMP-2的缓释，发现植入后7天快速释放IL-8和长效缓释BMP-2可实现最佳成骨效果。这一研究成果为快速激发骨组织再生提供新的思路，同时丰富了软骨内成骨的基础理论。.本项目共发表SCI收录论文15篇, 其中包括: Biomaterials 2篇，ACS Appl Mater Interfaces1篇和Acta Biomaterialia 4篇；申请专利3项，其中授权2项；参编英文书籍1章；邀请大会报告2次。培养博士生3名，硕士生3名。项目负责人入选2017年上海市领军人才。