多功能磷酸钙基细胞微载体的构建及性能研究

Poor vascularization and osteogenesis of the implant have been two major problems in the bone tissue engineering. The cultrue of cell in the three-dimensional (3-D) system and the development of microscale technology open new opportunities for improving these two questions.The project focus on the fabrication and properties of porous calcium phosphate-based 3-D microcarrier for cells. The major content includs: (1)Modified degumming silk fiber is used as template to prepare microcarrier with interconnected porous structure. Effect of parameters, including content and mineralization of template, moulding process et al., on microstructure of carrier will be researched respectively; (2)Drug and growth factor for improving differentation of MSCs towards osteoblast-like cell and endothelial cell will be loaded on the surface of calcium phospahte-based microcarrier and amino-ploly(ethylene glycol) will be used to coat the microcarrier in order to controll drug release speed and period;(3)MSCs will be used as cell model, which are seeded on the microcarrier, and then attachment, proliferation, differentation and colony growth of MSCs on the microcarrier will be explored as well as microassambly behavior of microcarrier. The project could offer us the method and testmiony for fabrication and application of calcium phospahte-based microcarrier used in bone tissue engineering.

成骨活性差和血管化困难仍是目前骨组织工程研究中的重要问题，3-D细胞培养和载体微型化是解决该问题的有效途径。本项目拟以多孔磷酸钙微球为研究对象，对其作为3-D细胞载体的性能和规律进行基础科学研究。具体内容包括：以矿化后的脱胶桑蚕丝短纤维为模板来制备兼具小孔/大孔连通性的多孔微球载体，以满足营养物质和代谢废物的运输需求，并为细胞的长入、迁移及在载体内的集落生长提供空间和通路；研究模板的添加量、模板矿化过程、成型工艺等因素与所制得微球微结构之间的定量关系；在微球上负载药物/生长因子，通过表面改性方法构建药物/生长因子在微球上的浓度梯度分布，以抑制药物初始突释现象，并延长药物的释放周期；以骨髓间充质干细胞为种子细胞，研究其在微载体上的吸附、迁移、增殖、分化和集落生长行为，并探索微载体的自组装过程及规律。本研究可为骨组织工程用磷酸钙微载体的制备和应用提供科学依据和实验参考。

在可注射骨组织工程中，种子细胞的活性是影响植入效果的关键影响因素之一。由注射操作引起的剪切力可影响到流体中种子细胞的活性；临界尺寸的骨组织修复中，由于血液、组织液及其他营养成分无法很好地运输到植入材料内部会导致远离自体组织的材料内部的细胞死亡、成骨活性差和血管化困难等，易导致长期植入失效。因此如何在注射操作时更好地保护种子细胞、如何在体内保持种子细胞的长期生物活性，是目前可注射骨组织工程研究中的重要问题。3-D细胞培养和载体微型化是解决该问题的有效途径。. 本项目以多孔磷酸钙微球为研究对象，对其作为3D细胞载体的性能和规律进行研究。主要研究内容包括：（1）多孔磷酸钙基微球细胞载体的结构设计、制备及性能优化；（2）磷酸钙基微球的药物负载及释放；（3）载药磷酸钙微球的表面改性；（4）细胞在磷酸钙基细胞微载体上的生命学行为表达。.所得主要结果为：（1）以自制的间苯二酚-甲醛树脂微球和莰烯做为协同致孔剂，用明胶溶液为粘合剂，在油包水微乳液体系中制备得到磷酸钙微球，通过烧结热处理除去致孔剂，可以成功获得球形多孔磷酸钙微球。通过调整间苯二酚-甲醛树脂微球的尺寸可以改变所制得的磷酸钙微球中的大孔尺寸，使得大孔尺寸在2-120微米之间变化；利用崁烯的枝状结晶可获得连通性孔洞；优化磷酸钙微球的热处理工艺可改善微球的表面开孔状态，并促进该微球的强度。（2）利用所制得的多孔磷酸钙微球作为抗坏血酸（VC）和地塞米松磷酸钠药物的载体, 药物负载率达到75%, 体外持续释放时间达到40天以上, 表明所制备的磷酸钙微球具有优异的载药性能和药物缓释性能。（3）利用海藻酸钠和聚已二醇对载药磷酸钙微球进行表面修饰, 结果表明修饰后的载药微球药物释放初期突释现象明显得到改善.其中海藻酸钠修饰效果比聚乙二醇好，而且药物的后期药物释放行为不受海藻酸钠修饰影响。（3）利用骨相关细胞与制备的球形磷酸钙进行体外共培养, 对载体材料的体外生物相容性进行了评价, 实验结果表明,细胞能够在载体材料中正常增殖, 说明该材料具有良好的生物相容性。并且载药微球促进细胞增殖和分化的效果更优。说明所制备的球形磷酸钙/碳酸钙复合药物载体材料在可注射组织工程中有着较大的理论和应用价值。 .本工作可为细胞的3D培养、保护和安全输送奠定技术基础，为提高组织工程骨的成骨活性和血管化提供方法途径，具有重要的理论意义和应用价值。