CaP/VEGF载药涂层镁金属骨组织工程支架结合骨髓间充质干细胞(BMSCs)修复骨缺损的实验研究

Bone defect is one of the most common orthopedic disorders. And bone tissue engineering (BTE) has been developed for the treatment of bone defect. Magnesium (Mg) possesses excellent mechanical properties and biocompatability. Mg is degradable in physiological environment and its degradation product presents obvious osteogenetic effect. These features make Mg an ideal candidate for bone tissue engineering scaffold. Bone is highly vascularized. Therefore, the performance of Mg scaffold is dictated by its ability to induce new blood vessel ingrowth. Nevertheless, Mg does not show significant effect on the angiogenesis. And Mg scaffold presents poor corrosion resistance，which is probably to result in osteolysis. To solve these problems, a drug-loaded CaP/VEGF coating on Mg was designed. The CaP coating is beneficial to increase the corrosion resistance and osteocondution of Mg scaffold.The VEGF is expected to improve angiogenesis ability of Mg scaffold. Combined with the osteogenetic effect of Mg2+, bone regeneration could be achieved. The project mainly studies the fabrication process of CaP/VEGF coating. and studies the effects of amount of the loaded VEGF on the biocompatibility and bioactivity of the BMSCs by in vitro experiments. And the effects of CaP/VEGF coated Mg-based bone tissue engineering scaffolds combination with BMSCs on the bone defect repair will also be studied by in vivo experiments. The research outcomes will provide a new method and research data for the biofunctionability design of the bone tissue engineering scaffold fabricated by Mg, and provide theoretical guidance for the repair and regeneration of the bone defect by bone tissue engineering.

骨缺损是临床上常见的一种骨科疾病。近年来，骨组织工程技术被用于骨缺损的治疗。镁金属具有优良的力学性能与生物相容性，可以在体内降解，降解产物可促进周围新骨的生成，被认为是一种理想的骨组织工程材料。提高镁金属材料的耐腐蚀性能以及诱导新生骨内血管的长入对于提高镁金属支架实现骨再生意义重大。针对这一问题，本项目设计一种新型的CaP/VEGF载药涂层用于镁金属的表面改性：CaP涂层可以提高支架的耐腐蚀性能与骨传导性能；涂层表面结合的VEGF有助于提升镁金属支架促进血管形成的能力。项目通过体外实验对镁金属表面CaP/VEGF复合载药涂层的制备工艺、涂层载药量对BMSCs生物活性的影响进行研究，并利用带CaP/VEGF涂层的镁金属支架结合BMSCs，通过骨组织工程方法修复骨缺损，研究成果将为镁金属骨组织工程支架的生物功能化设计提供新的技术方法，为通过骨组织工程方法实现骨缺损的修复与再生提供理论指导。

项目的背景.镁基金属材料被认为是新一代的医用金属材料，同时镁基金属材料被认为有望成为一种理想的骨组织工程材料。镁金属作为骨组织工程支架材料主要有两个问题亟需解决：1. 镁金属降解够快，引起周围pH值和镁离子浓度迅速升高，引发溶骨，同时镁金属降解产生的氢气汇聚于植入物周围形成气腔，严重影响镁金属的骨再生。2. 镁金属降解对于新生骨形成的促进作用被越来越多的研究所证实，新生的骨组织需要通过血管传输营养物质与代谢产物，新生骨中血管的长入对于提高镁金属支架的骨再生性能意义重大。本项目通过层层组装的方法在镁金属表面制备了VEGF-DOPA-CDHA复合涂层，涂层一方面大幅度提高了镁基金属的耐腐蚀性能，一方面在镁金属表面结合的VEGF为镁基金属赋予了成血管方面的性能。.主要研究内容.1. 通过氟处理结合水热处理技术在镁金属表面制备纳米尺度MgF2/CDHA双层涂层，并对涂层的物化性能进行表征。.2. 通过体外细胞实验研究了MgF2/CDHA涂层的生物相容性、细胞黏附、增殖以及成骨分化性能。.3. 通过层层组装方法在镁金属表面制备了VEGF-DOPA-CDHA复合涂层，并对涂层的物化性能进行表征。.4. 通过细胞实验对VEGF-DOPA-CDHA复合涂层的生物相容性以及成血管方面的生物活性进行了研究。.重要结果.1. 在镁金属表面获得纳米尺度的MgF2/CDHA双层涂层，MgF2中间层的存在大幅度提高了CDHA涂层结合力，同时双涂层结构显著提高了涂层对于镁金属基体的保护作用，降低了镁金属降解速率，该涂层对于MG63细胞的粘附、增殖与成骨分化具有促进作用。.2. VEGF-DOPA-CDHA复合涂层在降低镁金属降解速率的同时，还赋予镁金属成血管方面的生物活性。.关键数据及其科学意义.1. MgF2/CDHA双层涂层和VEGF-DOPA-CDHA复合涂层在21天内可将浸泡溶液SBF的pH值控制在7.8以下。MgF2/CDHA双层涂层和VEGF-DOPA-CDHA复合涂层的存在可以保障镁基金属在植入初期不会因为过快降解形成气腔或者发生溶骨，影响骨修复。.2. VEGF在镁金属表面DOPA涂层表面的结合效率达到90%以上，浸泡21天后，仍有65%以上的VEGF结合在涂层表面，这保证了VEGF-DOPA-CDHA复合涂层在足够长的时间内都能维持其成血管方面的生物活性。