受生物矿化启发的模板法仿生合成磷酸钙骨修复材料研究

The development of bone repair materials as an alternative of autologous bone transplantation is an appealing topic in the field of biomedical materials research. Calcium phosphate is one of important candidates, but the traditional material is difficult to achieve the effect of natural bone implant partly due to the lack of complex structure as bone tissue. Based on the study of biomineralization process in which organic matrix mediates the formation of calcium phosphate, this project aims to develop new method for the preparation of calcium phosphate materials with micro-nanoscale characteristics and hierarchical structures via templated biomimetic synthesis. The structure-property relationship of mineralized tissue will be investigated; the functionalization strategies and new techniques through composition, hierarchical structures and surface biomimetics will be developed. The composition, size, structure, morphology and organization of calcium phosphate micro-nanoparticles or microcapsules will be regulated with the aid of small organic molecules or microorganism as biotemplates and porous scaffold will be constructed with hierarchical structure. The interaction between biomimetic calcium phosphate with cell behaviors will be elucidated. All together, the study may shed light on the design and fabrication of new generation of bone repair biomedical materials and have great potential for the clinical applications.

研发能够替代自体骨移植的人工骨修复材料是生物医学材料领域迫切需要解决的热点问题之一，磷酸钙材料是其中一种重要的骨修复材料。针对现有磷酸钙骨修复材料难以复制天然骨的复杂结构特征，尚难达到天然骨修复效果的问题，本项目基于对典型生物矿化组织中有机基质调控磷酸钙矿物的研究，发展模板法仿生合成新技术，以期实现高活性微纳结构磷酸钙矿物和具有多级结构磷酸钙支架材料的制备，着重于探讨生物矿化组织微纳结构及其功能适配性，通过组分仿生、多级结构仿生及表面仿生实现磷酸钙材料功能仿生的构建策略，建立功能化骨修复材料的设计原理与技术体系。利用生物分子和微生物模板对材料成分、晶体尺寸、形貌、多级结构进行精确调控，研究和阐明材料学因素在仿生磷酸钙材料与细胞相互作用中的影响，为新型骨修复生物医用材料的设计、制备提供新思路。研究成果具有潜在的应用前景，有望在提高国民健康水平和生活质量方面产生显著的社会经济价值。

针对临床对骨修复材料的需求，本项目通过深入探讨典型生物矿化组织的结构与功能适配性，特别是牙釉基质蛋白与无机钙离子的相互作用及其对矿化过程的调控，发展了有机-无机杂化材料的模板法合成技术及仿生材料的制备技术，通过组分仿生、多级结构仿生及表面仿生实现骨修复材料功能仿生的构建策略，获得了多种新型骨修复材料，包括酵母模板调控掺锶磷灰石微球和掺镁碳酸钙微球材料、具有微纳米结构磷酸钙支架材料、具有仿生结构的人工骨-韧带组织工程支架材料、以及以羧甲基壳聚糖纳米纤维为模板调控磷酸钙仿生矿化制备的骨再生修复复合材料等，通过细胞和动物实验研究评价了材料的促成骨性能，研究了材料学因素对细胞分化途径的调控、基因的表达、蛋白的粘附等生物学行为的影响规律及机理，有望深化和提升对生物材料与细胞相互作用的认识和理解，并在骨组织缺损修复方面具有较好的应用价值。