基于缓释系统促血管化的三元复合材料的构建及其修复骨缺损的机理研究

Because of kinds of bone defect caused from trauma, infections, and tumor, every year over 5 million patients require bone craft in our country. Therefore, it is one of the frontiers and hot topics in regenerative medicine research to search better regenerative and restorative bone materials for the sake of patients’ health. Autologous bone, allograft bone, xenograft bone can not meet the demand of clinics because of limited sources, potential disease transmission and immune rejection. Currently, bone tissue engineering scaffolds represented by bioceramics has been the research direction of bone defects restoration on account of its excellent biocompatibility and controlled physical and chemical properties. But a few troublesome problems exist like low survival rate or low vascularization on large bone tissue engineering. Based on previous studies of our group, the construction of HA/CS/PCL bioceramic nanocomposite scaffolds is proposed, along with the construction of delivery system containing growth factors. And the biological mechanisms of vascular endothelial progenitor cells and bone marrow mesenchymal stem cells on promoting the reconstruction and vascularization of large bone defects also will be investigated. The completion of the project is expected to build biomimetic bone regeneration material with properties of mechanical properties, high biological activity, offering new strategies to solve biological and mechanical problems of bone repair materials. The study is of great clinical significance.

肿瘤、创伤及感染等高发疾病均会导致不同程度的骨缺损，据估计我国每年骨缺损患者至少500万，这些患者将需要进行骨缺损的修复。因此，寻找更好的骨组织再生修复材料，为患者再造健康，是再生医学研究的前沿和热点问题。自体骨、异体骨、异种骨移植由于存在来源有限、疾病传播、免疫排斥等问题，而难以完全满足临床需要。目前以生物陶瓷为代表的骨组织工程支架因其优异的生物相容性及理化性能的可控性，已经成为当前骨缺损修复的方向，但是存在大部分存活率较低、大尺寸组织工程骨的血管化率低等问题。故本课题组基于前期研究基础，提出构建羟基磷灰石/壳聚糖/聚己内酯纳米生物陶瓷复合支架，构建载生长因子的缓释系统，探讨血管内皮祖细胞和骨髓间充质干细胞促进大段骨缺损修复重建血管化的生物学机制。本项目的完成将有望构建出合成力学性能优越、生物活性高的仿生骨再生修复材料，为解决骨修复材料来源不足的问题提供新的策略，具有重大的临床意义。

肿瘤、创伤及感染等高发疾病均会导致不同程度的颅颌面骨缺损。寻求更好的骨组织再生修复材料，修复骨缺损，是再生医学研究的前沿和热点问题。本项目通过3D打印HA/CS/PCL支架材料，孔径分析、抗压强度分析和扫描电镜分析进行物理表征，并进行HA/CS/PCL支架的体外降解性能分析。选择不同的微球材料，包埋PDGF、VEGF、BMP-2三种蛋白，用微球交联水凝胶的方式来构建生长因子的缓释系统。原代分离骨髓间充质干细胞（BMSCs）和外周血内皮祖细胞（EPCs）并建立联合培养细胞体系。建立兔颅骨损伤模型，将复合HA/CS/PCL支架和联合培养细胞植入颅骨缺损，通过X光、Micro-CT和HE观察骨愈合和修复骨缺损情况，并通过Western blot检测BMP-2、VEGF和PDGF的表达等研究。结果证实3D打印的三维生物支架具有良好的机械性能及生物学特性，具有良好的亲水性，较好的的机械强度和安全性。其次，通过释放曲线的差异，结合三种蛋白的功能与释放顺序，确定PLGA@PDGF、CS@VEGF与PELA@BMP-2三种微球，实现了先释放PDGF，再释放VEGF，最后释放BMP-2的目的。最后，在兔颅骨缺损模型中，证明PCL/CS/HA支架+骨髓间充质干细胞组和PCL/CS/HA支架+自体联合培养细胞组对骨缺损具有明显的修复作用，骨体积分数明显升高，缺损边缘区域有明显较成熟的新骨形成，达到骨结合，且PCL/CS/HA支架+自体联合培养细胞组的BMP-2、VEGF和PDGF的表达都明显升高。鉴于以上结果，可以证实HA/CS/PCL复合支架材料，在组织成分及纳米结构上可以模拟自然骨的特征，为解决临床活性骨修复材料来源不足的问题提供新的策略。并且运用EPCs 和 BMSCs 构建了血管化骨修复体系，与HA/CS/PCL复合支架联合作用，能有效的恢复颅骨缺损，为解决临床上大面积颅骨缺损和修复体来源的问题具有积极的探索意义。