羟基磷灰石生物陶瓷表面微纳米结构及组成的可控制备与生物学效应研究

生物陶瓷研究是骨修复材料领域的一个重要课题。理想的骨修复材料应该具有良好的生物活性，能促进细胞黏附、增殖、分化和组织再生，并诱导成骨。羟基磷灰石（HAp）生物陶瓷因其优良的生物相容性，在骨修复领域中得到广泛应用。但传统的HAp材料缺乏诱导成骨的作用，新骨往往不能良好充填种植体与骨组织之间的空隙，使其在大段骨缺损的修复领域和组织工程细胞载体领域受到极大限制。通过材料的表面微纳米结构及化学组分设计可以显著提高材料的生物学性能、并赋予材料新的功能，如促进细胞应答、提高骨诱导活性、并具备良好的药物装载和控制释放功能等。本项目旨在实现表面微纳米结构及功能性元素掺杂的HAp骨修复生物陶瓷的可控制备，并研究表面微纳米结构及组成的细胞生物学效应、载药/控制释放及骨修复性能。本项目的实施为实现生物材料的表面结构和化学组成设计、揭示材料微纳米结构及组成的生物学效应具有重要的理论意义和实际应用价值。

生物陶瓷研究是骨修复材料领域的一个重要课题。理想的骨修复材料应该具有良好的生物活性，能促进细胞黏附、增殖、分化和组织再生，并诱导成骨。羟基磷灰石（HAp）生物陶瓷因其优良的生物相容性，在骨修复领域中得到广泛应用。但传统的HAp 材料缺乏诱导成骨的作用，新骨往往不能良好充填种植体与骨组织之间的空隙，使其在大段骨缺损的修复领域和组织工程细胞载体领域受到极大限制。通过材料的表面微纳米结构及化学组分设计可以显著提高材料的生物学性能、并赋予材料新的功能，如促进细胞应答、提高骨诱导活性、并具备良好的药物装载和控制释放功能等。本项目系统开展了微纳结构HAp生物陶瓷材料的制备及结构优化的研究，以及功能元素掺杂纳米结构HAp生物陶瓷的制备与性能调控研究，发展了前驱体水热转化技术实现HAp生物陶瓷表面微纳米结构的调控及功能元素的同步掺杂调控技术，突破了大尺寸类牙釉质仿生结构生物陶瓷材料的制备技术；研究表明微纳米结构HAp骨修复材料具有较高的药物吸附与负载能力，并具有良好的控制释放能力与pH响应特性；体外细胞培养和体内骨修复性能研究结果表明微纳结构HAp生物陶瓷能够促进成骨细胞及间充质干细胞的黏附、增殖、分化和相关成骨/成血管基因的联级表达，其优良的诱导成骨和血管化功能来源于材料表面微纳结构具有良好的募集血液中与黏附、成骨/成血管等相关的生物活性分子的功能，其形成的微纳结构微环境具有刺激成骨细胞和间充质干细胞的增殖和成骨分化的特性，可激活间充质干细胞内p-ERK1/2和p-P38表达水平，并在基因和蛋白水平诱导诱导细胞内Run 2、ALP、OCN、Col-I等的高表达，表明ERK和P38信号通路在材料表面微纳米结构环境介导的成骨分化中起重要作用；同时微纳结构形成的结构微环境还能直接促使成骨细胞核骨髓间充质干细胞自分泌更高的与成血管相关的因子，如VEGF、Ang-1等，揭示微纳结构HAp生物陶瓷具有促进血管发生的潜能。此外，发现微米/纳米复合结构由于其更好地模仿了人体自然骨的多级微纳结构而具有更好的促成骨效果。相关研究结果获得动物体内骨缺损修复实验的验证，并用于血管化组织工程骨的构建。研究还发现表面微纳米结构与功能元素（如Sr和Si）的掺杂能够起到协同促进成骨的作用，相关研究成果为新型生物活性骨修复材料的结构和化学组成的设计奠定了良好的基础，具有重要的理论意义和实际应用价值。