微生物辅助构建表面微纳结构的3D打印生物陶瓷支架及用于骨组织工程的研究

One of the most challenging problems in the study of tissue engineering scaffolds for repairing large bone defects is how to modify physicochemical properties of the scaffold material surface. Such modification specially in the middle part of the scaffold brings sufficient bone cell adhesion and effective osteogenesis. Inspired by the phenomenon of microbial mineralization of calcium carbonate in nature, this project aims to establish a biomimetic mineralization modification method that can be applied to different types of bioceramic scaffolds to construct the micro-nano structure on the surface of ceramic scaffolds. The pH and carbonate concentration of the microenvironment can be slowly increased by the ureolytic microorganisms to regulate the crystallisation and growth of calcium carbonate, resulting in the synthesis of the micro-nano-scale organic-inorganic composite calcium carbonate particles on the surface of the ceramic scaffold. The study will focus on the influencing factors, characteristics and mineralization mechanism of microbes on the surface of ceramic scaffolds. Further, the research will reveal a series of cell biological responses such as adhesion, proliferation and osteogenic differentiation and osteogenic formation in vivo of bone-assisted modified scaffolds and its mechanism. This project will provide new ideas and new methods to solve key problems inclufing insufficient osteogenic bone in the large scaffold materials in the field of bone tissue engineering research.

组织工程支架修复大块骨缺损的研究中最具挑战性的问题之一是如何修饰支架材料表面的物理化学性质，使支架中间部位具有足够的骨细胞粘附及有效成骨。受到自然界中微生物矿化碳酸钙现象的启发，本项目旨在利用微生物诱导的碳酸钙颗粒构建陶瓷支架表面的微纳结构，建立一种能适用于不同类型的生物陶瓷支架的仿生矿化修饰方法。通过微生物的脲解作用缓慢提升微环境的pH与碳酸根浓度来调控碳酸钙的结晶与生长，在陶瓷支架表面矿化合成微纳尺度的有机-无机复合的碳酸钙颗粒。研究微生物在陶瓷支架表面构建微纳结构的影响因素、特征及矿化机制，并揭示微生物辅助修饰的支架对骨细胞粘附、增殖和成骨分化等一系列细胞生物学响应以及体内成骨的影响及其机理。本项目将为解决骨组织工程研究领域中大块支架材料内部“成骨不足”等关键性问题提供新思路和新方法。

理想的生物材料需要具有优良的骨传导性与骨诱导性，能与活体组织形成紧密的键合。近年来研究表明，材料表面的微纳形貌及其化学结构能有效调控细胞的粘附、伸展、增殖和分化。受到自然界中微生物矿化现象的启发，本项目提出使用微生物辅助构建生物陶瓷表面的微纳结构，探索微生物在硅酸钙陶瓷表面构建微纳结构的特征与机理，并研究微生物矿化修饰的2D与3D陶瓷材料的生物学效应。在此基础上通过转录组RNA-seq测序分析微生物诱导的表面微纳结构对rBMCSs基因表达水平与命运的影响，最后进一步验证微生物矿化修饰陶瓷支架的体内成骨性能。结果表明：基于微生物矿化作用，2D与3D硅酸钙陶瓷表面成功形成了均匀的碳酸钙微纳结构。嗜碱性产脲酶菌附着材料表面后，通过分解底物尿素驱动微纳米碳酸钙颗粒在陶瓷表面形成。在这个过程中，细菌不仅催化尿素产成CO32-，且其细胞壁通过吸附Ca2+辅助碳酸钙的成核与结晶。与未经过微生物矿化的陶瓷支架相比，表面具有微生物诱导微纳结构的支架降解速度较慢。此外，体外细胞实验证实，经过微生物矿化修饰的硅酸钙陶瓷支架促进了骨细胞的粘附、伸展及增殖。通过GO与KEGG分析RNA-seq测序结果表明微生物在材料表面的微纳结构可以刺激细胞的多种生物学过程以及信号通路，使其向成骨方向分化。体内研究结果表明，微生物矿化形成的表面微纳结构能够抑制硅酸钙陶瓷支架快速降解，并且显著促进新骨的形成。