与材料共价结合对成骨相关多肽活性影响规律的研究

The bioactivity and osteogenic activity of bone repair materials could be enhanced further by covalently bonding osteogenic-related peptides to their surfaces. However, the covalent bondings have been shown to affect the bioactivity of the osteogenic-related peptides on a certain level. This proposal is intended to figure out how the covalent bondings affect the bioactivity of the osteogenic-related peptides. A systematic study of this issue has not been seen so far. Therefore, the applicant will functionalize carbon nanotubes by putting five kinds of representative chemical groups on their surfaces. Then, five kinds of typical osteogenic-related peptides will be covalently bonded to the five kinds of functionalized carbon nanotubes. Under the condition that the effect of the bonded peptide content has been eliminated, the applicant will launch systematic comparative study into the effects of the peptides bonded with the different chemical groups on the functions of bone-related cells, especially on the signal pathway of the cellular osteogenic differentiation in vitro, and their abilities in promoting new bone formation and repairing bone defects in vivo in order to 1) illustrate the rule how the covalent bondings with the same kind of chemical group on the surface of materials affect the bioactivity of different osteogenic-related peptides, 2) reveal the rule how the covalent bondings with different kind of chemical groups on the surface of materials affect the bioactivity of the same osteogenic-related peptide, and 3) optimize the covalent bonding on the surface of the material with the specific osteogenic-related peptide, which will be tested by cell culture in vitro and animal experiments in vivo. The successful implementation of this research not only has important theoretical significance, but also can hopefully develop novel peptide-modified materials with desired osteogenic activity.

将成骨相关多肽共价结合于材料表面可进一步提高材料的生物活性和成骨能力，但是这种结合方式会在一定程度上影响成骨相关多肽的活性。本项目拟研究的科学问题是：与材料共价结合对成骨相关多肽活性的影响有什么样的规律？目前尚未见对这一问题的系统研究。为此，申请人将在碳纳米管表面分别引入五种代表性官能团，然后分别与五种典型成骨相关多肽共价结合，在消除多肽结合量影响的情况下，通过系统对比研究与不同官能团共价结合的多肽体外对多种骨关联细胞功能，特别是成骨分化信号通路的影响，及其体内促进骨生成和骨缺损修复能力，1）阐明与材料表面相同官能团共价结合对不同成骨相关多肽活性的影响规律；2）揭示与材料表面不同官能团共价结合对同一成骨相关多肽活性的影响规律；3）优化特定成骨相关多肽与材料的共价结合方式以提高其活性，并通过体内外实验进行验证。本研究的成功实施不但具有重要的理论意义，而且有望研发新型高性能多肽复合骨修复材料。

将成骨相关多肽共价结合于材料表面可进一步提高材料的生物活性和成骨能力，但是这种结合方式会在一定程度上影响成骨相关多肽的活性。本项目研究的科学问题是：与材料共价结合对成骨相关多肽活性的影响有什么样的规律？为此，我们开展了以下两方面的工作：1）在多壁碳纳米管（MWCNTs）表面分别引入四种代表性官能团，羧基、氨基、羟基和邻苯二酚基，然后分别与两种典型成骨相关多肽，骨形态发生蛋白-2（BMP-2）多肽和成骨生长多肽（OGP）共价结合，在消除多肽结合量影响的情况下，通过系统对比研究与不同官能团共价结合的多肽体内促进异位成骨和颅骨缺损修复能力，揭示与材料表面不同共价结合方式对成骨相关多肽活性的影响规律。研究结果表明，不同共价结合方式对成骨相关多肽活性的正面影响趋势如下：酰胺键合（氨基）＞多巴胺偶联＞硅烷偶联＞酰胺键合（羧基），主要的原因是材料通过不同官能团与多肽-COOH端共价结合，未反应的-NH2端基以及材料表面带正电荷的基团越多，越有利于改善成骨相关多肽的活性。2）在MWCNTs和石墨烯（GP）表面分别引入四种代表性官能团，羧基、氨基、羟基和邻苯二酚基，然后分别与典型成骨相关多肽P15共价结合，在消除多肽结合量影响的情况下，通过系统对比研究与不同官能团共价结合的多肽体内促进异位成骨和颅骨缺损修复能力，阐明与具有不同微观结构的材料表面共价结合对成骨相关多肽活性的影响规律。研究结果表明，与MWCNTs表面共价结合比与GP表面共价结合对成骨相关多肽活性的积极影响显著大，主要的原因是材料表面适当的曲率可以降低肽链端基同种电荷对肽链构象的影响，从而降低对成骨相关多肽活性的负面影响。发表标注本项目的SCI论文29篇、北大中文核心期刊论文3篇，获省医学科技奖1项，研究成果不但具有重要的理论意义，而且对优化特定成骨相关多肽与材料表面的共价结合以提高其活性具有重要的指导价值。