基于ATP途径的能量生物材料构建及其促进骨愈合的分子机理研究

Adenosine triphosphate(ATP),a kind of energic biomelecules, has a significant effect on promoting cell growth and proliferation, as well as improving osteogenic activity. However, due to its unstability, fabrication of such ATP-conjugated bioenergic materials remains a huge challenge. So far, there is no paper published on this kind of bioenergic materials applied to tissue construction and regenerative medicine. Recently, a technical breakthrough from our group on fabrication of bioenergic materials and ATP-stabilized conjugation makes it possible to solve the problem above. The research contents mainly include: molecular design and fabrication of bioenergic materials;activited immobilization and controlled release of ATP on muli-scaled 3-D scaffolds; in vitro evaluation, bone defect repairing and regeneration in vivo; studies on pathway, molecular mechnism and regulation rule for bioenergic materials promoting cell proliferation and improving osteogenic activity mediated by extracellular ATP signaling; etc. Through studies on the specific and key scientific issues mentioned above, we expect that the insight understanding and new knowledge of molecular mechanism and regulation rule for bioenergic materials improving bone regeration will be obtained, which will further provide an imprtant theoretical basis for devoloping the next generation bioenergic materials with rapid bone repairing functions. Therefore, the current study will become an important innovation and progress in biomedical materials and regenerative medicine.

生物能量分子三磷酸腺苷（ATP）对促进细胞生长增殖、提高成骨活性具有重要影响。然而，由于ATP分子的不稳定性，如何实现含ATP能量生物材料的构建仍面临巨大挑战。目前尚未见该类能量生物材料应用于组织构建和再生医学的报道。本申请基于课题组成员前期在含能生物材料构建和ATP的稳定化固载技术领域的一项新进展，为破解上述难题提供了可能。主要研究内容包括：含能生物材料的分子设计与构建；ATP在多尺度空间支架上的活性化固载及其可控释放研究；新材料的体外评价与体内骨缺损修复再生；含能生物材料促进细胞增殖与提高成骨活性的作用途径及调控规律研究等。通过上述具体和关键科学问题研究，获得对含能生物材料促进骨再生的分子机制及其调控规律的深刻理解和认识，进而为发展应用于骨缺损快速修复的新一代能量生物材料奠定重要理论基础。这将是生物材料与再生医学领域的一个重要创新和进展。

骨缺损的修复治疗在临床上仍面临巨大挑战。生物能学效应对促进细胞生长增殖、提高成骨活性具有重要影响。然而，由于ATP分子的不稳定性，如何实现能量生物材料的构建仍面临巨大挑战。目前尚未见该类生物材料应用于组织工程和再生医学的报道。基于此，本项目原创性提出一种新型含能生物材料的构建，为破解上述难题提供了可能。根据三羧酸循环循环（TCA）各基元反应的特点，选取适当的前体分子合成了一种具有能量活性的高分子材料，并进一步将该材料制备成多孔的组织工程支架（BAM）。着重研究了能量材料在体内外的降解行为及其对细胞能量代谢及组织分化的影响，结果表明BAM降解产物能加快TCA中的总反应速率，进而提高线粒体膜电位，推测可能是通过在线粒体内建立一个旁路绕开决速反应。体外的分化实验还表明，BAM还促进了rMSCs的成骨分化水平。组织学切片观察发现BAM和聚乳酸（PLA）支架在植入7天后都出现了少量的巨噬细胞聚集和组织长入，说明两种支架材料在短期具有相似的体内表现，因为两者的形貌结构和理化性能相似。但当材料体内植入4周后，可以看到能量支架材料孔内长入了更多的新生纤维。原位骨缺损修复模型被用来评估这种能量效应对骨缺损的修复效果。X射线摄片和micro CT扫描观察发现BAM组动物在缺损区域有更明显的骨质生成，说明BAM相比较于PLA显著提高了机体的成骨能力。热重分析结果表明BAM组修复体的新生矿物含量显著高于PLA组，并接近自然骨水平；其XRD衍射谱图显示出类似天然骨样显著的羟基磷灰石（HA）衍射峰；扫描电镜和透射电镜进一步说明了BAM组中胶原结构更致密而规整，其矿化程度更高。通过上述具体和关键科学问题研究，获得了对含能生物材料促进骨再生的分子机制及其调控规律的深刻理解和认识,进而为发展应用于骨缺损快速修复的新一代能量生物材料奠定重要理论基础。