功能多肽改性高分子材料的制备及其在骨组织工程中的应用研究

Lack of adequate vascular system and osteoinductive capacity is a serious issue affecting the clinical treatment of a wide range of bone defects and ununion. Thus, it is expected to solve this problem activation of in vivo cell response, improving the ability of cell attachment to bone graft and promoting the formation of new blood vessels inside the graft, and building activity vascularized bone grafts. VEGF can promote the vessel formation. But it is limited that the bone graft transfer VEGF and it’s activity is difficult to maintain. This proposal intends to design molecular structure and synthetic peptides P15 and QK mimicing the structure of natural collagen and growth factor VEGF. Then they were respectively bonded with PLGA through chemical reation and fabricated as porous or fibrous scaffold. Finally the scaffold was cultured in vitro combined with vascular endothelial cells to construct vascularized grafts and impanted in vivo for the treatment of bone defect. P15 peptides can effectively promote cell adhesion, QK peptides can promote endothelial cells proliferation and migration through activating VEGF receptor, and promote angiogenesis. Thus peptide P15 and QK could synergistically achieve construction of vascularized bone graft, reconstruct blood supply of the bone defect site, and improve the repairation bone large defect and bone unnunion.

缺乏足够的血管系统是影响临床骨科治疗大范围骨缺损和骨不连的严峻课题。因此，激活体内细胞响应，增强骨移植物的细胞粘附和血管形成能力，促进其内部血管形成，构建血管化的活性骨移植物，有望解决这一难题。其中生长因子VEGF对促进内皮细胞形成血管至关重要，但目前骨移植物担载VEGF的效率有限，VEGF的活性较难保持。本项目拟通过模拟天然胶原和VEGF的结构，从分子结构设计出发，合成多肽P15和QK，分别与PLGA键合改性，制备成多孔或纤维支架。结合血管内皮细胞，通过体外培养，构建血管化移植物，植入到动物骨缺损部位，促进骨骼修复治疗。多肽P15能够有效促进内皮细胞粘附，多肽QK可以通过激活内皮细胞VEGF受体，促进内皮细胞增殖、迁移，形成新生血管。所以通过协同发挥多肽P15促进细胞粘附和QK促进血管形成的作用，实现血管化骨移植物的构建，有望重建骨缺损部位的血运，改善骨缺损或骨不连的修复效果。

临床骨科治疗中大面积骨缺损和长期骨不连的主要挑战是体内移植物缺乏足够的成骨诱导能力和血管系统。因此，激活体内细胞的粘附、迁移、成骨定向诱导，促进新生血管的形成，提高移植物的骨诱导和骨整合能力，有望解决大范围骨缺损和骨不连的临床难题。本项目研究首先在多肽修饰材料方面，合成了胶原模拟多肽P15 和VEGF模拟肽QK，多肽改善了材料的细胞粘附和增殖能力，其中0.5mg/ml的P15溶液具有最佳的促细胞粘附和增殖的作用，浓度为10-9M的QK对培养3天的血管内皮细胞促进增殖作用最为明显。利用化学键合反应分别合成了改性材料P15-PLGA和QK-PLGA，键合产物P15-PLGA的分子量约为5729，表明键合反应成功。利用聚多巴胺自聚合方法，将胶原模拟多肽P15和成骨生长肽OGP用于HA/PLGA复合材料表面功能化修饰，显著改善和促进了复合材料的细胞粘附和成骨诱导分化能力。其次，在支架结构成型方面，制备了HA/PLGA多孔支架、纤维支架，获得了优良的药物担载和细胞渗透能力。获得了结构可调的HA/PLGA细胞微载体，并采用IGF-1对微载体表面进行修饰改性，获得了显著促进脂肪间充质干细胞增殖和成骨分化的能力。利用自主知识产权旋碟熔融纺丝技术制备了PGA纤维，将其作为增强相，制备了纤维增强的可注射HA/PLGA多孔支架，明显地提高了支架材料的机械性能，其中PGA纤维在70wt.%时，材料的压缩强度达到31.1MPa，且具有良好的可注射性。并系统研究了其体外降解规律。最后，在支架对动物骨缺损的修复应用方面，采用不同的op-HA/PLGA多孔支架体内植入桡骨缺损部位，接枝率为5.2%的op-HA/PLGA的复合材料显示出优异的体内矿化和骨修复效果。还考察了复合材料（HA/PLLA）的体内降解规律，这对于骨折内固定和骨缺损修复提供了极其重要的数据参考和理论指导意义。这种多肽修饰材料、细胞微载体与可注射支架不仅可解决预成型多孔支架难以精准修复不规则骨缺损的难题，扩展可注射植入材料的应用领域，还可以提高功能多肽的担载和可控释放能力，在临床骨延迟愈合、骨不连等疑难骨病的微创治疗等方面具有极其重要的意义。