骨基质仿生矿化体系的优化设计和切应力介导的纤维内分层矿化研究

Bone matrix and cells are the primary structural components of bone tissue. The main function of bone matrix is maintaining the mechanical property of bone and providing mineral ions for metabolism. As a typical kind of anisotropic composite material, the biomimetic mineralization of bone matrix and its mechanical regulation are always the advanced scientific questions in mechanics of biomaterials field. Here, a series of mineralization related factors are investigated, which include the concentrations of calcium and phosphate groups, surface charge distribution of collagen and its hydroxylation degree, with the purpose of optimizing the experimental condition of bone matrix biomimetic mineralization. The obtained mineralization system is further exposed to the continuous or periodic shear stress loading, respectively. By changing the magnitude, loading time and frequency of shear stress, the mineralized structure of bone matrix can be regulated and the apatite minerals can permeate into collagen fibrils to form hierarchical intrafibrillar mineralization. Then, the biocompatibility of mineralized bone matrix with different hierarchical structures is evaluated through in vitro and in vivo experiments. The present proposal expands and deepens our previous hypothesis. With the carrying out of this proposal, the nature of hierarchical intrafibrillar mineralization of bone matrix can be developed and its mechanobiological coupling can be proposed and further verified. These new findings can provide scientific basis for prevention and therapy of clinical diseases such as osteoporosis and space bone loss.

骨基质是人体骨组织中除功能细胞以外的主要结构成分，其主要功能是维持骨的力学强度和满足机体代谢的矿物质需要。作为强韧轻质的各向异性复合材料，骨基质的仿生矿化及其力学调控一直是生物材料力学领域的前沿科学问题。本项目从力学生物学的角度出发，系统研究钙磷无机矿物离子浓度、胶原表面电荷和羟基化程度等因素对仿生矿化的影响，构建并优化骨基质仿生矿化的实验体系，在此基础上利用锥板粘度仪分别施加连续性和周期性切应力载荷，通过改变力值大小、加力时间、加载频率等因素调控骨基质的矿化分级结构，实现无机矿物晶体在胶原纤维内的成核与生长，重建天然骨基质的纤维内分层矿化结构，进而通过体内外实验评价不同矿化分级结构材料的生物相容性。本项目是申请人已结题项目的拓展和深化，研究结果有助于揭示骨基质纤维内分层矿化的本质，建立仿生矿化的力学生物学调控理论，从而为临床上骨质疏松、失重性骨丢失等矿化相关疾病的预防和治疗提供理论依据。

天然骨基质是具有纤维内分层矿化的多级有序结构，其有机质与无机矿物之间呈现择优取向排列，体外仿生矿化时存在纤维内矿化程度低、产物力学性能差、难以获得多级有序的仿生矿化结构等关键科学问题。针对这些问题，本项目从力学生物学的角度出发，系统研究了钙磷无机矿物离子和胶原基质模板对仿生矿化的影响，构建并优化了骨基质仿生矿化的实验体系，在此基础上通过流体切应力加载调控有机质与无机矿物之间的相互作用，实现了磷灰石晶体在胶原纤维内的成核与生长，重建了天然骨基质的纤维内分层矿化结构。.研究内容主要分为两部分。首先是骨基质仿生矿化体系的优化设计。本研究系统考察了钙磷无机矿物离子浓度、胶原表面电荷和渗透压等因素对仿生矿化的影响，其中钙离子的浓度范围为0-14 mM，磷酸化修饰用三聚磷酸钠的浓度范围为0-5%，胶原蛋白的浓度范围为0-2 mg/mL。利用红外光谱、扫描/透射电镜、原子力显微镜等手段对矿化胶原纤维的物理化学结构随这些因素的变化规律进行了系统表征，从而得到了骨基质仿生矿化的优化实验体系。.其次是切应力介导的纤维内分层矿化研究。利用锥板粘度计对优化得到的骨基质仿生矿化体系进行流体切应力加载，切应力大小为1.0 Pa，加载周期以2 h为单位（加载1 h、间歇1 h），总时间不超过12 h，并与传统的聚丙烯酸介导的仿生矿化进行比较。结果表明，与聚丙烯酸调控的仿生矿化相比，流体切应力加载可以显著加快无定形磷酸钙向羟基磷灰石的转变，促进胶原纤维形成有序结构，进而使得胶原与磷灰石形成择优取向排列，实现了胶原的纤维内矿化。进一步研究发现，通过将切应力加载与胶原磷酸化修饰相结合，可以调控磷灰石晶体在胶原纤维内的成核与生长，最终得到胶原的纤维内分层矿化结构，从而实现了天然骨基质自组装分级结构的体外组装。.通过本项目的实施，课题组揭示了骨基质纤维内分层矿化的本质规律，建立了仿生矿化的力学生物学调控机理，从而为临床上骨组织矿化相关疾病的预防和治疗提供了理论依据。