仿生纤维内硅化骨胶原支架在骨缺损修复中对巨噬细胞调控的研究

Incidence of bone defect in maxillofacial region caused by trauma, tumor and other factors is increasing in recent years. Life quality of patients is severely degraded by such disease. Autografts, allografts used in clinic have many disadvantages, such as lack of sources and immunological rejection, which limited the application of such materials. Thus, developing of functional bone graft materials to replace the lost region of bone has been a formidable challenge in both orthopaedics and biomaterials research. By achieving intrafibrillar silicification in collagen fiber, we have successfully manufactured intrafibrillar silicified collagen scaffold, which is characterized as highly simulating structure of natural bone, favorable mechanical strength and outstanding biocompatible, comparing with traditional artificial bone substitute materials. The present project will further optimize the scaffold and focus on the involvement of the scaffold in host immune response, particularly interaction with macrophage, which plays a key role in immune response. To note, we aimed to promote local vascularization, cell homing and bone regeneration by modulating immune response with the scaffold. The accomplishment of this project will provide a novel and promising bone substitute material with high clinical value, which could achieve bone regeneration rapidly and efficiently without extra loading of exogenous cells or cytokines.

外伤、肿瘤等导致的颌面部骨缺损十分常见，严重影响患者生存质量。目前临床上应用的自体骨、异体骨修复材料存在来源不足，免疫排斥等诸多弊端。因此，人工骨修复替代材料是骨组织工程面临的重大课题。我们在前期研究中首次实现了胶原支架的纤维内仿生硅化，并成功构建了仿生纤维内硅化骨胶原支架材料。和传统人工骨替代材料相比，具有高度模拟自然骨组织结构，机械性能良好，生物特性优异的特点，具有广泛应用前景。为推动该支架材料的临床前应用基础研究，本课题拟对仿生纤维内硅化骨胶原支架进行优化构建，并首次对其参与宿主免疫应答反应，与巨噬细胞相互作用的机制进行系统研究，进而构建出通过与免疫应答核心环节的巨噬细胞相互作用，来调控宿主免疫应答的支架材料，促进缺损组织血管化、细胞募集和骨组织再生重建。本项目的完成有望首次构建出在不需加载外源性种子细胞和细胞因子的情况下，实现快速、高效骨缺损修复的支架材料，具有广泛的临床应用价值。

外伤、肿瘤等导致的颌面部骨缺损十分常见，严重影响患者生存质量。目前临床上应用的自体骨、异体骨修复材料存在来源不足，免疫排斥等诸多弊端。因此，人工骨修复替代材料是骨组织工程面临的重大课题。我们在前期研究中成功构建了仿生纤维内硅化骨胶原支架材料，和传统人工骨替代材料相比，具有高度模拟自然骨组织结构，机械性能良好，生物特性优异的特点，具有广泛应用前景。本研究通过构建并优化仿生纤维内硅化骨胶原支架材料，通过评价不同硅化条件下构建出的硅化骨胶原支架对巨噬细胞的影响，探明材料调控巨噬细胞极化与分泌的具体机制；系统评估硅化骨胶原支架通过调控巨噬细胞，影响组织血管化和骨再生的条件和分子机制；探明仿生纤维内硅化骨胶原支架材料参与宿主免疫应答，参与骨组织修复的具体机制。为材料进一步实现临床转化提供依据，从而解决临床上活性骨修复材料来源不足的问题。本研究明确了不同条件下仿生纤维内硅化骨胶原支架材料的制备，对巨噬细胞极化的影响，并对材料调控巨噬细胞极化与分泌的具体机制进行了分子机制方面的研究，并进一步探明了硅化骨胶原支架通过调控巨噬细胞，影响组织血管化和骨再生的条件。同时，对巨噬细胞极化诱导促进局部骨再生进行了进一步的相关探索，对通过骨免疫调控来促进骨缺损修复材料的应用方面进行了机制与应用效果层面的研究，加深了巨噬细胞参与骨修复材料重建缺损骨组织方面的研究基础。本研究的结果表明，对巨噬细胞计划的调控可以有效地在骨缺损修复材料的生物应用中发挥促进局部骨组织再生的作用。相关研究可进一步推进仿生纤维内硅化骨胶原支架材料的临床前研究，并为其临床转化提供相关研究基础。同时，对仿生纤维内硅化骨胶原支架材料影响巨噬细胞极化，以及巨噬细胞调控缺损局部早期免疫环境及早期骨形成的分子机制进行了相关的探索，揭示了部分巨噬细胞极化参与骨再生的部分调控通路，为后期相关骨缺损修复材料的功能性改进提供了研究方向。