兼具肿瘤治疗与骨修复的生物活性支架的可控制备及生物学响应

The therapy and repair of tumor-initiated large bone defects remain critical challenges, which requires a bifunctional biomaterial with the ability of both tumor therapy and bone regeneration. However, existing biomaterials can only meet one aspect of the requirements (e.g. bioceramics only having the function of bone regeneration, and nano-photothermal agents only having therapeutic effect on tumor). To solve this problem, the project will develop bioactive scaffolds possessing the ability of both killing tumor cells and stimulating bone regeneration. In this project, we set out to prepare bioceramic scaffolds with satisfactory bioactivity and mechanical properties (meeting the requirements of bone defect regeneration), and in situ control the growth of double metal copper-based selenide on the surface of scaffolds (meeting the requirements of photothermal therapy). Then, we will systematically investigate and regulate the photothermal performance, tumor therapeutic effect in vitro and in vivo, osteogenic differentiation of stem cells in vitro and bone defect repair activity in vivo. We will reveal the internal relationship among the surface composition/microstructure, photothermal performance, tumor therapeutic effect and osteogenic activity in vitro and in vivo. Finally, a new class of bifunctional scaffolds with the ability of both tumor therapy and bone defect repair will be achieved, paving the way with beneficial theories and methods for the treatment of bone cancer in clinic.

骨肿瘤诱导的缺陷治疗与修复在临床上面临很大的挑战，需要兼具肿瘤治疗与骨缺损修复的双功能特性的生物材料。然而，目前的生物材料往往只能满足单一方面的要求（比如生物陶瓷只具有骨修复功能，纳米光热材料只具有肿瘤治疗功效）。为了解决该问题，本项目拟研究兼具肿瘤治疗与骨缺损修复的双功能生物活性支架，拟通过3D打印制备具有良好生物活性与力学性能的生物陶瓷支架（满足骨缺损修复的要求），并在支架的表面原位可控生长双金属铜基硒化物（满足肿瘤光热治疗的要求），并系统研究并调控双金属铜基硒化物改性的支架的光热特性、体外肿瘤细胞与体内肿瘤治疗功效、以及体外干细胞成骨分化与体内骨缺损修复活性。从而揭示双金属铜基硒化物改性的生物陶瓷支架的表面组成/微结构-光热性能-肿瘤治疗功效-体内外成骨活性之间的构效关系，最终实现一类新型的兼具肿瘤治疗与骨缺损修复的双功能支架，为临床上骨肿瘤的治疗奠定理论与方法基础。

骨肿瘤骨缺损治疗是临床重要挑战，需要兼具肿瘤治疗与骨缺损修复的双功能生物材料；然而，传统生物材料往往仅具有单一骨修复或骨肿瘤治疗功能，难以应对上述临床需求。针对这一问题，本项目以生物陶瓷为特色，聚焦骨肿瘤治疗-骨缺损修复双功能生物活性陶瓷研究，主要内容包括：（1）双功能生物陶瓷设计、制备与理化特性表征；（2）双功能生物陶瓷体外骨肿瘤细胞、体内骨肿瘤生物学效应；（3）双功能生物陶瓷骨再生修复生物学效应；（4）双功能生物活性材料用于软组织肿瘤治疗-组织修复拓展。所形成主要科学成果包括：（1）发展双金属铜基硒化物等纳米颗粒修饰、光热元素掺杂和本征氧空位调控等多种生物陶瓷骨肿瘤治疗功能化策略方法，以此形成多种具备骨肿瘤治疗相关理化特性的新型生物活性陶瓷；（2）证实新型生物活性陶瓷杀灭骨肿瘤细胞及肿瘤组织效率达到90%以上、兼具促进骨髓干细胞成骨分化效应；（3）基于动物模型，进一步阐明双功能生物活性陶瓷体内骨肿瘤治疗与骨修复功能，并明确了材料骨肿瘤治疗调控对其骨再生修复的作用影响；（4）将研究拓展到皮肤黑色素瘤治疗-创面修复研究领域，提出并发展多种基于双功能生物活性陶瓷的新型皮肤创面敷料。通过本项目的研究，建立了完整的双功能生物活性陶瓷材料组成、微结构等关键理化特征及其调控与肿瘤治疗和骨组织再生修复效应之间的构效关系科学体系，为解决肿瘤治疗与组织工程研究领域中“如何实现治疗与修复功能一体化”这一关键共性问题提供了新的解决思路和方法。基于项目科学成果，研究团队在Advanced Materials、Science Advances、Theranostics、Applied Materials Today和Biomaterials等高水平国际学术期刊多次发表学术论文，获得国内外学术同行广泛认可；申请中国发明专利8项（3项获得授权，部分实现企业转让）；同时，本项目的完成在整体上显著提升了研究团队的科研水平与素质，并为相关领域青年科研人才储备做出了积极贡献。