基于哈弗氏骨单元仿生的钙磷陶瓷/胶原复合植入体构建及压电骨诱导作用机制研究

Calcium phosphate ceramic implants have good application for the bone's reconstruction field since its biocompatibility and biological activity. However, it has differences compared to human bone in composition, structure, performance and functionality and hinders the clinical application of calcium phosphate ceramic. This project simulate the complex microstructure of human bone based on ingredients bionic. Unidirectionally aligned calcium phosphate ceramic/collagen micro-nano composite fibers are fabricated combining the electrospinning and directional collection. Then the structural bionic body of the Haversian bone unit are obtained by orderly assembly. Composite implants with multi-scale hierarchical structure are prepared using the structural bionic body. Then piezocrystals are mixed in composite implants and its biological properties are characterized. Fabricating techniques for calcium phosphate ceramic/collagen micro-nano composite fibers and the structural bionic body of the Haversian bone unit are researched. Effects of orderly assembly process on mechanical and biological properties are studied. Promotion mechanisms of composition and multi-scale hierarchical structure of calcium phosphate ceramic/collagen composite implants on its mechanical properties of special direction and bone regeneration are revealed. Mechanism of piezoelectric effect on the directional deposition of calcium ions and osteoinductive growth to the composite implants are explained. It is provide a new ideas and method for the biomimetic design and preparation of biological material.

钙磷陶瓷植入体具有较好的生物相容性和生物活性，可以广泛的应用于骨缺损的修复，但其与人体骨相比在成分、结构、功能和性能等方面仍有差异，影响了该类材料的临床使用效果。本项目在成分仿生的基础上模拟人体骨的复杂微观结构，结合静电纺丝法和定向收集方式制备单向排列钙磷陶瓷/胶原微纳米复合纤维，并有序组装成哈弗氏骨单元仿生结构体，然后利用该结构体构建具有多尺度分级结构的仿生复合植入体，同时在植入体的钙磷陶瓷/胶原复合纤维中引入压电相，使得该植入体在特定方向上具有压电效应。重点研究单向排列微纳米复合纤维和哈弗氏骨单元仿生结构体的制备技术，以及有序组装工艺对复合植入体力学性能和生物性能等的影响，揭示钙磷陶瓷/胶原复合植入体的成分与多尺度分级结构对其特定方向力学性能及骨修复再生的促进机制，以及压电效应对植入体表面钙离子定向沉积与骨诱导生长的作用机理，为仿生生物材料的设计与制备提供新思路和方法。

钙磷陶瓷植入体具有较好的生物相容性和生物活性，可以广泛的应用于骨缺损的修复，但其与人体骨相比在成分、结构、功能和性能等方面仍有差异，影响了该类材料的临床使用效果。此外，研究证明人骨（包括牙齿）在有规律的活动时会产生电信号，这种电信号能与周围的体液和血液中的离子相互作用形成微电流，电流刺激后能够促进骨骼的生长和愈合。所以获得一种具有成分、结构、功能仿生的骨植入材料是目前临床上亟需解决的重点问题。本项目在成分仿生的基础上模拟人体骨的复杂微观结构，结合静电纺丝法和定向收集方式制备了单向排列钙磷陶瓷/胶原微纳米复合纤维，并有序组装成哈弗氏骨单元仿生结构体，然后利用该结构体构建具有多尺度分级结构的仿生复合植入体，同时在植入体的钙磷陶瓷/胶原复合纤维中引入压电相，使得该植入体在特定方向上具有压电效应。项目取得以下研究成果：采用悬浊液静电纺丝法制备钙磷陶瓷/胶原微纳米复合纤维，获得纺丝液性质、静电纺丝工艺、烧结制度等对钙磷陶瓷/胶原微纳米复合纤维直径、分布、有序度等的影响；获得单向排列微纳米复合纤维和哈弗氏骨单元仿生结构体的制备技术，掌握了有序组装工艺对复合植入体力学性能和生物性能等的影响，揭示了钙磷陶瓷/胶原复合植入体的成分与多尺度分级结构对其特定方向力学性能的促进机制；研究了具有压电效应的仿生复合材料的制备技术，总结出压电效应对植入体表面钙离子定向沉积与骨诱导生长的作用机理；对压电仿生复合植入体进行生物试验，揭示了压电效应对植入体细胞增殖活性和成骨活性的作用机理，评价了植入体的修复效果并阐明压电效应的骨诱导作用机制。项目研究取得了系列有重要创新意义的基础研究成果，已经在国外SCI学术刊物上发表学术论文10篇，获得中国发明专利9项、公开1项。