仿生纳米多孔F-掺杂HA纳米针阵列的微/纳拓扑结构调控及其成骨效应

Design of biomimetic surface micron/nano-topography of bone repair materials and their osteogenic effect have become one of the research hotspots. During bone remodeling of mammals, the micron/submicron-scale rough resorption lacunae and exposed sharp-tipped nanoscale collagen fibrils form distinct hierarchical micron/nano-topography on bone resorption surface. This surface topography is believed to provide certain biophysical cues for promoting osteogenic differentiation and bone regeneration. In order to enhance the osteogenic function of biomedical magnesium alloys, we plan to construct biomimetic nanoporous fluoridated hydroxyapatite (FHA) nanoneedles arrays on magnesium alloy surface via a microwave aqueous route. These arrays possess micron/submicron-scale roughness so as to mimic resorption lacunae. In parallel, the nanoneedles exhibit similar size and shape to collagen fibrils. Further, we plan to regulate the micron/nano-topography of these arrays, and illuminate the functional mechanism of microwave irradiation on FHA nanoneedles growth in the view of thermodynamics and kinetics. Moreover, we plan to systematically study the osteogenic effect of these arrays through cell and animal experiments, uncover the relationships between the micron/nano-topography and osteogenic differentiation, osseointegration, and explore the bone formation mechanism, thus optimizing the osteogenic function of these arrays. The implementation of this project may provide theoretical basis for construction of biomimetic nanoporous FHA nanoneedles arrays coated magnesium and magnesium alloy implants for clinical application.

骨修复材料表面仿生拓扑结构的设计及其成骨效应是研究热点之一。在哺乳动物的骨重建阶段，微米/亚微米级粗糙的骨吸收陷窝与暴露的端部尖锐的纳米级胶原原纤维在骨吸收面构成分级微/纳拓扑结构，能够提供生物物理刺激，进而促进成骨分化和骨再生。为了提高医用镁合金的成骨功能，本项目拟采用微波液相法在其表面构建仿生纳米多孔氟掺杂羟基磷灰石（FHA）纳米针阵列，该阵列具有微米/亚微米级表面粗糙度，可模仿骨吸收陷窝，且FHA纳米针展现与胶原原纤维类似的尺寸和形状。进一步，通过改变制备参数调控该阵列的微/纳拓扑结构，并从热力学和动力学方面阐明微波对FHA纳米针生长的作用机制。结合细胞和动物实验系统研究该阵列的成骨效应，揭示其微/纳拓扑结构与成骨分化、骨整合功能之间的关联性，探索其成骨机制，实现对该阵列成骨功能的优化，为构建符合临床应用需求的仿生纳米多孔FHA纳米针阵列包覆镁及镁合金植入物奠定理论基础。

可降解骨修复材料表面仿生拓扑结构设计及其成骨性能是骨组织工程领域的研究热点。镁合金表面氟掺杂羟基磷灰石（FHA）纳米针涂层是模仿骨重建阶段天然形成的骨吸收面所特有的分级微/纳拓扑结构的理想模型之一，然而，如何对该FHA涂层的仿生微/纳拓扑结构进行调控，以及该拓扑结构与成骨性能的关联性研究仍面临重大挑战。本项目采用微波液相法在镁合金表面制备了一系列FHA纳米针涂层，重点研究了制备参数对涂层的仿生微/纳拓扑结构的调控规律，以及微波对纳米针的结构特征形成的作用机制，探索了具有不同微/纳拓扑结构的FHA涂层的成骨性能及其规律。.通过调变钙磷氟前驱体溶液pH值、F-浓度和沸腾时间，实现了FHA涂层纳米针直径在20–100 nm范围内调控，涂层层数在1–3层范围内调控，涂层表面粗糙度高度参数（Ra、Rz）在0.00–0.39 μm、0.60–0.99 μm范围内调控；进而实现了FHA涂层的仿生微/纳拓扑结构在一定范围内调控。.微波在热力学方面的主要作用为造成的过热沸腾状态提高了晶体生长的化学驱动力，促进FHA沿c轴剧烈螺旋生长，协同氟掺杂对HA纳米结构的尺寸减小作用，促进纳米针单晶的形成并稳定；微波在动力学方面的主要作用为造成FHA（HA）晶体不完美生长，在纳米针/纳米片表面形成裂隙型介孔缺陷。.骨髓间充质干细胞（BMSC）在4种FHA涂层表面培养1–7天后，均可维持正常细胞活力；单独考虑纳米结构对成骨性能的影响，50–70 nm直径的纳米针涂层的成骨性能较高，其原因可能是该尺寸的纳米针与骨吸收面上胶原原纤维的尺寸更加接近，对BMSC成骨分化的刺激作用更显著；单独考虑表面粗糙度的影响，较大的Ra 0.28 ± 0.03 μm和Rz 1.35 ± 0.16 μm更有利于成骨。此外，对构建仿生微/纳拓扑结构的普适性微波液相法进行了初步探索。本项目的研究结果对镁合金骨修复材料表面仿生拓扑结构设计提供了新思路。