非降解纳米羟基磷灰石骨修复生物材料与骨组织的愈合界面及相关机制研究

Non-metal bone biomaterials could be divided into two classifications: degradable and nondegradable composites, which would be the future of bone biomaterials because they have low elasticity modulus, better biocompatibility and don not need a second surgery to remove the implants. Nondegradable biomaterials will continuously exist in the body and interact with the bone tissues. There are two mode of combination between biomaterials and bone, that is mechanical bonding and bone-bonding. Bone-bonding, also called osseointegration, which could be regarded as interface healing, is the optimal interface between biomaterials and bone. Bone-bonding is beneficial to stable existence of implants, distribution of stress and decrease or even avoid stress shielding. Our previous study discovered that nano-hydroxyapatite/polyamide 66 (n-HA/PA66) composites can fuse with bone and continuously exist in body without degradation. However, the combination mode and the extent and strength of combination between nondegradable biomaterials and bone has been unclear. This project is to study the interface between biomaterials and bone using cytological, histological, mechanical and radiographic method. The study will provide theoretical foundation for improving biological function and bone-bonding between biomaterials and bone which would help to develop superior nondegradable biomaterials.

非金属的骨修复替代材料可分为降解和非降解材料，其弹性模量低、生物相容性好、不需要二次手术取出，是未来硬组织修复和替代材料的发展方向。非降解生物材料在人体内可终生存在，就必然与自体骨组织发生界面反应，这种界面反应也决定了材料与骨的结合方式：机械结合或骨键合。骨键合，也称为骨整合，是最理想的内植物-骨界面，可以理解为一种界面愈合。骨键合能保证内植物稳定存在、应力均匀分布，降低甚至避免应力遮挡效应。我们前期研究发现纳米羟基磷灰石/聚酰胺66骨修复材料能与骨融合，可长期植入体内，不降解。但非降解生物材料与自体骨是以什么样的形式结合，结合的程度、强度以及相关机制仍不清楚。本项目通过细胞学、组织学、生物力学、影像学的多层次、直接间接相结合的方式来研究非降解生物材料-骨的愈合界面，为改良非降解生物材料的生物学功能、提高界面愈合的质量与愈合率提供理论基础，以期研发更优良的非降解骨修复生物材料。

非降解骨修复和替代生物材料弹性模量低、生物相容性好、不需要二次手术取出，也无可降解材料的相关并发症或不良反应，是未来硬组织修复和替代材料的重要发展方向。非降解生物材料在人体内可终生存在，就必然与自体骨组织发生界面反应，这种界面反应也决定了材料与骨的结合方式：机械结合或骨整合。骨整合是最理想的材料-骨界面，可以理解为一种界面愈合，能保证植入材料稳定存在、应力均匀分布，降低甚至避免应力遮挡效应，提高临床疗效。本项目即是以非降解纳米羟基磷灰石/聚酰胺66（n-HA/P66）骨修复和替代材料为研究对象，对材料表面粗糙度、微孔及涂层等进行表面改性，并通过体内外实验对材料-骨组织的愈合界进行了多层次、多方面的研究，探讨了非降解植入材料的表面粗糙度、微孔及涂层对材料-骨界面愈合的影响。研究结果显示表面粗糙度、微孔及活性涂层均能影响非降解骨修复和替代材料的生物活性和材料-骨的愈合界面。在本项目实验条件下，180#砂粒喷砂处理后的n-HA/P66材料的表面粗糙度以及0.1mm表面微孔的n-HA/P66材料更利于骨髓间充质干细胞的粘附、生长、增殖和成骨分化，而且在体内明显促进骨整合、利于材料-骨的界面愈合。利用多巴胺仿生法可成功在n-HA/P66材料表面制备羟基磷灰石涂层，该方法制备条件简单、经济实惠，可在不同形状的材料表面制备n-HA涂层。多巴胺仿生法所制备的羟基磷灰石涂层不仅改变材料本身的表面形貌，而且改善材料亲水性，提高材料表面粗糙度，能促进骨髓间质干细胞的粘附、扩展、增殖和成骨分化，而且在体内促进骨整合，改善材料-骨的愈合界面。本项目的研究成果可为提高非降解生物材料的生物学功能、界面愈合的质量与愈合率提供理论和应用基础，同时为n-HA/P66相关产品提供一些可供参考的改进方式，提升产品质量和竞争力，有望实现项目成果的转化。