可3D打印能量生物材料构建及用于骨缺损再生研究

Energy-active Biomaterials, EBM, as the meaning of its name, is the one that can provide energy for enhancement of tissue repair or regeneration. It was originally invented by our team at HUST and granted with the complete intellectual property rights. Compared with PLA and so on, approved by FDA, it has a great increase in bone density by 36% when utilized in bone repair, even without addition of any growth factor, indicating a promising perspective in clinic translation. However, it could not be found in 3D instant printing fabrication due to the longer cross-linking time. The research contents of the present proposal include: 1)3D printing realization and individualized manufacturing of EBM biomaterials when remaining its energy active unit, EAU, via design innovation of molecular structure and materials property and its fabrication; 2) correlation and relationship of 3D printing EBM, bone regeneration and angeogenesis; 3) study on 3D EBM degradation and clarifying of delivery rules of energy-active molecules from EBM biomaterials, and so on. Through studies on the specific and key scientific issues mentioned above, we expect that it will provide an important theoretical basis for developing the 2nd generation of EBM biomaterials and its clinical translation. Therefore, the current study will become a pivotal innovation and progress in the interdisciplinary fields for biomaterials and regenerative medicine.

能量生物材料（Energy-active Biomaterials, EBM）是申请人在国际上原创的一类可吸收生物材料，拥有完全自主知识产权授权。其在无需任何生长因子的条件下可实现骨组织的快速修复，与美国FDA批准的PLA等材料比较，其骨密度增加达36%，具重要临床转化前景。但因材料交联时间较长，尚不能实现3D实时打印制造。本项目提出的可3D打印能量生物材料的构建及骨再生研究，旨在通过对分子结构的创新设计和构建，在保留其能量活性单元（Energy Active Unit, EAU）的同时，赋予和实现材料的可3D打印和个性化定制特性；通过体内外试验，研究3D打印EBM与骨再生和血管生成的关系；探索并阐明3D打印EBM的降解和能量活性物质的释放及其规律等。通过上述具体和关键科学问题研究，为我国第二代EBM发展和临床转化提供理论基础。这将是生物材料与再生医学交叉学科领域的一个重要创新和进展。

能量生物材料（Energy-active Biomaterials, EBM）是申请人在国际上原创的一类可吸收生物材料，拥有完全自主知识产权，其在无需任何生长因子的条件下可实现骨组织的快速修复，具有重要临床转化前景。然而，第一代能量生物材料因交联反应固化时间较长（长达8-12h），不能满足3D即时打印的要求，故需要对能量生物材料分子结构和性能进行创新设计和重构。本项目在保留能量活性单元（Energy Active Unit, EAU）的同时，对分子结构进行创新设计和构建，赋予材料可3D打印和个性化定制特性；系统探究了新一代能量生物材料的可打印性，成功制备出孔径均匀可控的三维立体支架；为提高支架成骨活性，成功掺入羟基磷灰石（HA）并制备得到EBM/HA复合支架，且HA的加入提高了支架的降解速率。采用小鼠前成骨细胞在体外评价支架的细胞相容性，结果表明细胞可以在支架上正常粘附和增殖；研究支架对细胞成骨分化的影响发现，复合支架可提高小鼠前成骨细胞的碱性磷酸酶活性，促进钙盐沉积。进一步研究了EBM降解产物对细胞能量代谢和成骨分化的影响，研究表明一定浓度（500-1000 μM）的能量活性分子可有效提高BMSC细胞中ATP水平，使BMSCs处于高能量状态进而加快成骨分化，为能量生物材料促骨再生关键信号通路的研究奠定了基础。3D打印EBM支架皮下植入的结果表明组织能长入支架的孔隙中，且支架没有引起明显的不良反应。采用大鼠颅骨缺损模型评价支架的体内骨修复效果，Micro-CT和组织学染色显示3D打印EBM复合支架的骨组织覆盖率、骨体积分数和骨小梁数目高，新骨的分布范围较广，具有骨修复的应用潜力。通过上述具体和关键科学问题研究，获得了可3D打印EBM的关键制备参数，探讨了能量活性单元促骨再生的机制，为我国新一代能量生物材料发展和临床转化提供了理论基础。