基于生物活性多肽的钛基骨组织植入体表面的“叠氮-炔基”点击反应构建及其研究

As bone-tissue implant, titanium and its alloy have been widely used in clinic owing to their excellent mechanical property and biocompatibility. However, in clinic, the rate of bone bonding between the implant and bone tissue is still slow, which would lead to the loose, infection and even the failure of the implant operation. The rate is affected by the biological activity, such as osteogenesis, angiogenesis, neuralization and antibacterial activity of the surface. This proposal aims to improve the biological activity of the implant surface to accelerate the bone bonding. In this research, we are going to graft bioactive peptide onto the implant surface with click chemistry, and control the biological activity of the surface by controlling the proportion and the length of PEG of the peptides with different functions. The systematic study will be performed to investigate the reaction mechanism of the assembly of the peptides to the surface. By elucidating the mechanism of the peptide to the cells and bacteria, the project aims to provide useful guide for the development of new implants and reducing their failure risk.

作为临床常用的骨组织植入体，钛及其合金具有优异的力学性能和生物相容性。但是从目前临床反馈的情况来看，植入体植入后与周围组织之间形成稳定骨键合的时间较长，从而易导致植入松动、细菌感染乃至植入手术失败。而限制稳定骨键合快速形成的主要因素为植入体表面的如促进成骨、成血管、成神经以及抑菌等生物学性能的匮乏。本研究以改善钛基骨组织植入体表面生物学性能、加速植入体植入后与骨组织之间稳定骨键合的快速形成为目的，以生物活性多肽为解决该问题的切入点，采用创新性的点击反应技术在植入体表面接枝不同比例组成、不同PEG链长度以及不同生物学功能的生物活性多肽，研制具有优异生物学性能的骨组织植入体。系统研究多肽组装过程中的点击反应机制；揭示植入体表面生物活性多肽对细胞与细菌的作用规律与机制，为改善临床植入体提供有效途径和理论依据。

针对骨组织缺损这一临床常见的疾病，钛及其合金因优异的力学性能、生物相容性能以及耐腐蚀性能等，得到了广泛的应用。但是由于钛基植入体表面的如促进细胞粘附生长、分化及抑菌等生物学性能的匮乏，导致该类植入体面临植入后与周围组织之间形成稳定骨键合的时间长，从而易导致植入松动、细菌感染乃至植入手术失败。.针对该问题，本项目选择了具有优异抗菌活性的抗菌多肽Tet213和HHC36，以及具有促进细胞粘附和增殖活性的RGD多肽、具有促进血管生长的QK多肽、具有高生物活性和多种多肽成分的细胞外基质等生物活性多肽，在结合表面自组装技术证明了材料表面不同功能的活性分子具有功能协同作用的基础上，利用优化的“叠氮-炔基”点击反应技术在钛基骨组织植入体表面进行了单种或多种多肽的同时接枝，并通过调控材料表面所接枝生物活性多肽的空间分子OEG链长、多肽种类、比例等参数，构建了具有优异抗菌性能和/或具有促进细胞粘附、成血管化等生物活性的钛基骨组织植入体。X射线光电子能谱、原子力显微镜、静态接触角等理化性能表征结果显示，本项目所利用的点击反应技术可以有效地将生物活性多肽构建于植入体表面；体外抗菌实验结果表明，在优化的构建条件下，所构建的植入体能够有效抑制90%以上的临床常见金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，并通过破坏细菌的壁膜结构，使细菌死亡；体外细胞学实验结果表明，改性后的植入体表面具有优异的促进骨髓间充质干细胞粘附、增殖或促进血管内皮细胞血管化等性能；同时，本项目通过构建新西兰大白兔的原位骨缺损和细菌感染模型，表征了所构建植入体的体内抗菌和促进组织修复性能，结果表明在植入初期（1周内，感染高发期），所构建植入体在体内可以有效抑制95%以上的金黄色葡萄球菌，避免细菌感染的发生，并促进组织的修复。.本项目所构建的钛基骨组织植入体材料所表现出的高生物活性和抗菌性能，有望解决目前该类材料表面相关生物学性能匮乏的难题，为临床上该类疾病的修复提供改进的方案。