纳米尺度材料表/界面特性与骨形态发生蛋白微观结构和生物活性的研究

围绕骨形态发生蛋白（BMP）高活性固载和低使用剂量这一目标，本项目以具典型诱骨功能且使用最多的 BMP-2为模型，采用现代蛋白结构分析手段，并结合蛋白分子模拟以及生物学评价，从不同的角度（表面曲率、形貌、亲/疏水性、孔结构等）深入系统研究纳米尺度下材料表/界面特征对BMP-2微观结构（二级和三级结构）、微观结构稳定性（热力学和动力学稳定性）、三维结构、蛋白-蛋白作用及其生物活性影响的基本规律，进一步集成出纳米尺度下材料的表/界面特征、BMP-2微观结构以及活性之间关系的理论模型，明确BMP固载过程中材料纳米尺度表/界面结构效应。研究将为有利于BMP高活性固载特定功能表/界面设计与制备提供理论与实践基础，为降低BMP用量、提高使用效果提供新思路和新手段。同时丰富材料表/界面-蛋白相互作用的基本理论，促进材料表/界面吸附基本理论的发展,为其它生长因子的固载提供借鉴。

活性差和使用剂量高是骨形态发生蛋白（BMP-2）临床应用中存在的主要问题。纳米尺度上材料的表/界面对蛋白的微观结构和活性有显著的影响。本研究以具有典型纳米尺度表/界面特征的材料（纳米粒子、纳米管、纳米涂层及纳米介孔）为模型，系统研究其对rhBMP-2吸附、微观结构（二级结构等）以及生物活性的影响。研究发现：①纳米SiO2粒子，SiO2的粒径和曲率直接影响rhBMP-2的吸附量和活性。SiO2 快速吸附rhBMP-2，并导致其解折叠和活性的下降。粒径越大、曲率越低，rhBMP-2的吸附量越大，解折叠程度越低。rhBMP-2的活性次序为：60 nm> 100 nm> 20 nm；②纳米碳管，亲水性的SWNTs-COOH表面有利于rhBMP-2的吸附。在纳米碳管表面的吸附导致rhBMP-2的解折叠，促进rhBMP-2与其细胞表面受体的结合，提高其生物活性，特别是在疏水性的SWNTs-CH3表面。从SWNTs表面释放的rhBMP-2 趋向于再次折叠，生物活性下降；③纳米HAP涂层，与基体金表面相比，纳米HAP表面呈现较低的rhBMP-2吸附量和较高的活性。NHA60表面吸附的rhBMP-2表现出高的ALP表达、更好的细胞粘附。低含量镁的引入更有利于rhBMP-2的吸附和活性维持；④纳米介孔氧化硅，当介孔孔径与蛋白尺寸相近或大于时，蛋白质能够发生介孔内吸附，7-8nm的介孔更有利于rhBMP-2的吸附，钙和磷元素可促进rhBMP-2的吸附。纳米介孔可以实现rhBMP-2的缓释，且对蛋白的二级结构和活性起到较好的保护作用；⑤地塞米松，在C2C12细胞中，低浓度的地塞米松能够显著提高rhBMP-2诱导碱性磷酸酶的活性和体外矿化水平，过程具有明显的时间和浓度依赖性。这一协同作用是通过促进Runx2表达来实现的。采用pH响应型壳聚糖/介孔氧化硅复合材料（chi-MSNs）同时控释地塞米松和BMP-2，可以有效地提高地塞米松和rhBMP-2的协同促进成骨的效果。本项目获得上海市自然科学一等奖1项（排名第二），申请发明专利1项，授权2项（1项美国）, 发表SCI收录论文4篇, 接受英文文章1篇，另有3篇SCI 文章正在修改和投寄之中，大会特邀报告3次。参与编写《生物医学工程》及《微纳米结构骨修复材料》，培养研究生5名。项目负责人入选2011年教育部新世纪优秀人才。