表面微纳米掺锶羟基磷灰石晶体纤维的促成骨作用机理研究

The hydroxyapatite is the main inorganic mineral of human bone,and widely used as bone repair graft due to its excellent biocompatibility. However, traditional hydroxyapatite was lack of osteoinductive function. One of the important researches is how to improve cell attachment, proliferation, differentiation and osteoinduction of bone repair graft. The resolve for this problem is valuable for bone tissue engineer and large bone defect repair.It is found that special micro-nano structure have the function of improving cell attachment , proliferation, and related gene expression.It is not necessary to add bioactive protein or growth factors into biomaterials to improve their bioactivity. According to our results, we found that micro-nano structure and Strontium incorporation of hydroxyapatite whisker would improve the bioactivity, such as cell response and osteoinduction. But the mechanism is still puzzled. This project is plan to manufacture micro-nano hydroxyapatite whisker contained Strontium with topography controlled techniques. We forward the study about how the protein attach on biomaterials and to activate the cell signal pathways. The project will be valuable for designing the surface topography and trace element in biomaterials in the future.

羟基磷灰石具有优良生物相容性，在骨修复领域中得到广泛应用，但传统羟基磷灰石缺乏诱导成骨的作用，如何促进材料表面细胞粘附、增殖、分化及诱导成骨，提高骨修复效能是该领域的一个重要课题。近些年来不少研究现象揭示：无机材料（如羟基磷灰石）本身通过微纳米特殊结构就可以实现蛋白吸附、细胞募集，并实现生物学效应，而不一定需要材料表面体外吸附活性蛋白或接种细胞来实现生物学效应。我们前期研究发现，羟基磷灰石晶体纤维表面微纳米结构本身具有促进成骨细胞粘附及增殖，且锶元素掺入会进一步提高微纳米结构引起的生物学性能（如细胞应答、提高骨诱导活性），但其机理尚不明。本项目旨在实现表面微纳米结构及锶元素掺杂羟基磷灰石晶体纤维的可控制备，并研究表面微纳米结构与锶元素如何影响蛋白质粘附结合并启动细胞相关信号通路的机理。本项目将加深对无机生物材料生物活性作用机理的理解及实现临床运用。

全球生物材料产业已成为各国重要产业，骨修复材料研发是生物材料的重要组成部分，研究发现羟基磷灰石微纳米材料本身具备促成骨生物学作用，某些元素（如锶、镁等）也具有促成骨作用，明确羟基磷灰石表面的微纳米结构和元素协同促进成骨生物学机理，对新型骨诱导人工骨的设计和研发基础意义重大。.　本研究制备掺锶元素表面微纳米羟基磷灰石晶体纤维材料，体内外实验证实微纳米结构和锶元素具有协同促进成骨作用，微纳米结构促成骨作用主要在接触组织细胞阶段，而锶元素可持续缓释促成骨，两者机制具有协同互补作用。研究发现羟基磷灰石晶体纤维掺镁元素也可促进成骨细胞增殖，与锶元素对微纳米结构的影响不同，镁元素掺入形成的微米结构晶体纤维结构。. 本研究对微纳米羟基磷灰石与蛋白质结合相互作用机制进行研究，发现蛋白质分子量大小与吸附作用无影响、蛋白质酸碱性影响微纳米羟基磷灰石的吸附作用。在对细胞黏附分子通路机制研究中发现掺锶微纳米羟基磷灰石晶体纤维对细胞的骨架蛋白、CD44黏附分子增强表达作用，提示其对细胞骨架运动及黏附的机制。研究通过拉曼光谱显微镜观察到纳米羟基磷灰石晶体纤维进入细胞浆且在细胞核附近聚集现象，说明蛋白质及核酸可能与纳米结构都有相互作用，详细机制尚在探索中。研究也发现微纳米结构对外泌体具有极强的吸附作用，可能也是表面微纳米材料生物学作用的重要机制。此外，微纳米羟基磷灰石晶体纤维抗生素载药研究、掺硅羟基磷灰石纳米颗粒载药研究，证实了微纳米材料吸附作用是普遍且非特异性，可被运用于临床。. 本研究对微纳米表面结构和微量元素（锶、镁、硅）的生物学作用机制进行了多角度、多层次的探索性工作，阐明了生物材料中微纳米结构特殊的生物学作用机制，证明在生物植入材料研发中表面微纳米结构是不容忽视的生物材料设计影响因素之一，须得到充分重视。微量元素生物学作用与微纳米材料结构作用协同且独立。本研究为新型骨植入生物材料研发奠定了一定的工作基础。