侧基可控修饰的可降解聚氨酯多梯度骨软骨修复材料设计原理及其组织再生机理的研究

依据分子设计原理，对聚氨酯合成单体、大分子链、功能修饰分子进行分子结构设计，制备侧基能够通过点击化学反应，高效进行多种分子组合修饰的、力学与降解性能可调控的新型可降解聚氨酯材料。研究基于上述材料制备具有梯度成分、结构及模量的多梯度支架材料的方法，解决长期阻碍骨软骨再生修复发展中多梯度支架材料匮乏的问题。寻找在上述材料设计与制备中相互联系、相互制约的各种要素间的作用规律，建立相应的聚氨酯分子设计、材料设计方法。并从分子生物学水平上研究该新型材料对骨髓基质干细胞的粘附、迁移、增殖及分化的影响规律，对在该材料上负载的细胞在受力学及生物学信号共同调控作用下的诱导分化信号转导通路的交互方式与响应机理、透明关节软骨在该修复材料上表型分化长效维持的机理等进行深入的研究。为关节软骨再生修复关键科学技术问题的突破，新型关节软骨再生修复材料的设计制备提供理论依据。

关节软骨细胞自身增殖能力很弱，同时由于关节软骨组织本身缺乏血管、神经等附属组织的营养，造成损伤关节软骨更加难以自身修复。随着病情的发展，对患者的日常行动及身心健康造成严重影响，因此对关节软骨的再生修复研究一直是再生医学中的重要研究方向与研究热点，而缺少理想的再生修复材料严重制约了相关研究的发展。本项目从软骨再生过程中的特点出发，提出了基于可降解聚氨酯良好的力学及降解性能的基础上，通过分子结构设计，突破聚氨酯本身难以进行活性修饰的障碍，构建适于软骨再生修复的新型再生修复材料，项目在多方面均取得了良好的进展。.项目获得了适于进行聚氨酯侧基生物活性点击修饰的重要单体分子，含炔基侧基的双端羟基小分子，其一次纯化收率超过70%，该分子成功用于分子量为几万到十几万的聚氨酯的合成，其炔基侧基能够方便实现点击化学反应，从而获得一种普适性的聚氨酯侧基修饰方法，解决了聚氨酯生物活性修饰的关键问题。通过将HSNGLPL活性短肽引入聚氨酯的侧基，赋予聚氨酯材料能够与TGF-β1生长因子亲和的特性，使得材料能够在特定的环境中吸附并富集该生长因子。吸附研究结果表明该亲和性短肽与生长因子的结合力较强，短时间内就能够实现相关生长因子的结合。在BSA预吸附的PU材料表面，生长因子仍然能够快速的识别并于该短肽结合，并未受到预吸附蛋白的影响与干扰，表明该结合肽良好的特异亲和能力。在材料的力学性能调控上，通过对聚氨酯软硬段的结构设计与配比调整，获得了力学性能在100MPa以内均能良好调节的材料。在材料降解性能调控上，通过对软段比例的调整，以及软段内部不同结构的调整，使得材料的降解时间在超过3个月后，材料失重率能够在低于5%及20%间做良好调控，能够较好满足软骨再生降解时间要求。体外细胞学研究表明，吸附了该短肽的PU材料，能够在体外培养的过程中，在不添加外源性TGF-β1的情况下，达到诱导细胞分化的目标，其诱导效果与体外添加外源性生长因子的结果相近，初步证实了改材料的生物活性。体内动物实验表明，与未修饰HSNGLPL短肽的PU材料比较，修饰了短肽的材料在体内两周就能够实现肌肉组织再生，而非修饰组需要炎症消退后才启动修复，这与该材料在体内能够富集TGF-β1的效果有一定的内在联系。该材料具有适于关节再生修复的力学支撑性能、生物活性、降解性能，同时具有良好的三维打印特性，能够较好地适应未来个性化组织修复的需要。