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銀蟲(chóng) (初入文壇)

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專業(yè): 生物醫(yī)用高分子材料

[求助] 急求翻譯

骨修復(fù)材料是目前臨床上可應(yīng)用的為數(shù)不多的組織工程產(chǎn)品之一，在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上均有多家研究機(jī)構(gòu)從事相關(guān)材料的研發(fā)工作。目前已有多種骨修復(fù)材料用于臨床，但在成分、結(jié)構(gòu)和修復(fù)領(lǐng)域等方面差別都較大。
目前治療骨缺損的植骨材料，大致可分為自體骨、異體骨、異種骨、人工骨等。自體骨移植是目前臨床上使用最多的方法，但它是一種以犧牲健康部位骨組織為代價(jià)的“以傷治傷”的手段，會(huì)對(duì)供骨區(qū)造成新的缺損，而且自體骨的來(lái)源十分有限。采用同種異體骨或異種骨移植，盡管克服了自體骨移植“來(lái)源有限和二次損傷”的缺陷，但目前尚不能完全克服移植后的免疫排斥反應(yīng)，并且還有潛在傳播疾病的危險(xiǎn)。另外，同種異體骨存在醫(yī)學(xué)倫理學(xué)方面的障礙，而異體骨美國(guó) FDA 至今仍未批準(zhǔn)其用于臨床。目前，臨床上應(yīng)用的人工骨材料，大致可分為磷酸鈣類、硫酸鈣類生物陶瓷和復(fù)合人工骨。生物陶瓷類產(chǎn)品雖然生物相容性好，但具有力學(xué)性能差，生物活性低，降解緩慢等缺點(diǎn)。目前臨床應(yīng)用的骨修復(fù)人工骨材料，與自體骨相比存在生物活性不足或者降解性能不理想的缺點(diǎn)，難以取得理想的骨缺損修復(fù)效
果。也就是說(shuō)，雖然目前在研以及臨床應(yīng)用的骨修復(fù)材料有很多種，但都無(wú)法達(dá)到天然骨的修復(fù)效果，在成分上、分級(jí)結(jié)構(gòu)上，以及生物活性都有較大的差距。本項(xiàng)目正是針對(duì)當(dāng)前骨修復(fù)材料面臨的共性問(wèn)題，擬開(kāi)發(fā)一種新型的可與天然骨相媲美的具有誘導(dǎo)骨生成活性的多級(jí)仿生骨再生修復(fù)納米材料。
合作目標(biāo)：本項(xiàng)目的主要目標(biāo)是利用中、新雙方的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，共同開(kāi)發(fā)一種具有骨誘導(dǎo)生物活性及分級(jí)仿生結(jié)構(gòu)的骨再生修復(fù)納米纖維三維框架材料，作為大尺寸骨缺損再生移植材料。完成分級(jí)仿生骨修復(fù)納米材料的設(shè)計(jì)、仿生制備和表征；骨材料具有誘導(dǎo)骨形成、誘導(dǎo)血管生成等能力的生物活化；及其動(dòng)物體內(nèi)骨修復(fù)效果評(píng)估。合作內(nèi)容：本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容為開(kāi)發(fā)一種新型的分級(jí)仿生骨再生修復(fù)納米復(fù)合材料。通過(guò)體外仿生礦化方法和靜電紡絲立體制備技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)骨組織納米尺度到毫米尺度的多級(jí)仿生，獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)和組成成分均高度仿生的三維立體骨修復(fù)納米復(fù)合材料。具體內(nèi)容包括以下三個(gè)方面。
一、分級(jí)仿生骨再生修復(fù)納米纖維三維框架材料的制備
骨是由膠原蛋白和羥基磷灰石納米晶通過(guò)分級(jí)組裝形成的復(fù)雜的天然生物礦化材料。膠原作為最主要的結(jié)構(gòu)蛋白起著調(diào)控納米晶體礦化的作用。而含量極少的非膠原蛋白起著與骨形成相關(guān)的生物功能調(diào)節(jié)作用。因此，目前已有很多研究均致力于開(kāi)發(fā)膠原基骨修復(fù)框架材料，旨在實(shí)現(xiàn)骨修復(fù)材料的成份仿生。本研究中，我們不僅考慮骨材料的成份仿生，還著重研究骨材料的分級(jí)結(jié)構(gòu)仿生以及生物活性仿生。
（1）膠原基骨分級(jí)仿生修復(fù)納米材料的制備
通常來(lái)講，骨具有從納米尺度到毫米尺度的7 個(gè)分級(jí)結(jié)構(gòu)，是由基因、蛋白、細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞等在不同尺度下分別調(diào)控形成的。因此，體外模擬很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)從納米尺度到宏觀尺度的自組裝分級(jí)結(jié)構(gòu)。必須采用多種技術(shù)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)分級(jí)結(jié)構(gòu)仿生。中方采用體外模擬礦化的方法，可實(shí)現(xiàn)膠原分子自組裝，并實(shí)現(xiàn)膠原調(diào)控下的羥基磷灰石納米晶體的沉積，以及二者的分級(jí)組裝，這主要可實(shí)現(xiàn)礦化膠原纖維從納米尺度到微米尺度的仿生過(guò)程。對(duì)于礦化
的膠原纖維，現(xiàn)有的冷凍干燥等成型技術(shù)無(wú)法獲得更高級(jí)的結(jié)構(gòu)仿生，只能形成具有微米級(jí)微結(jié)構(gòu)的支架材料。新方對(duì)傳統(tǒng)的靜電紡絲技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了三維塊狀納米纖維框架材料的制備，在三維成型的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)纖維微結(jié)構(gòu)。利用這項(xiàng)技術(shù)可有助于實(shí)現(xiàn)骨組織的高級(jí)結(jié)構(gòu)仿生。該技術(shù)主要利用組成成分的微單位在液體溶劑下的特性去操控靜電紡絲納米纖維組裝成三維納米纖維框架材料。同時(shí)與中方的技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)礦化膠原納米纖維的三維高級(jí)組裝。并且，三維框架材料還可通過(guò)一種浸潤(rùn)礦化方法，實(shí)現(xiàn)HA 納米晶在納米纖維的表面礦化。此外，利用靜電紡絲的定向技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)礦化膠原的定向排列，形成礦化膠原纖維束，不同排列方向的礦化膠原纖維束的交替轉(zhuǎn)角排列，可模擬形成“板層骨”的
高級(jí)組裝結(jié)構(gòu)。將定向排列組裝的類板層骨結(jié)構(gòu)和隨機(jī)排列的結(jié)構(gòu)結(jié)合，有望在更高級(jí)組裝水平上模擬“密致骨/松質(zhì)骨”的復(fù)合結(jié)構(gòu)。最終實(shí)現(xiàn)骨組織的多級(jí)仿生制備。
（2）類膠原基分級(jí)仿生骨修復(fù)納米材料的準(zhǔn)備
除膠原基材料外，我們還計(jì)劃開(kāi)發(fā)類膠原基嵌段聚合物骨材料。通過(guò)活性聚合制備嵌段聚合物并與類膠原多肽片段共價(jià)結(jié)合。其中，利用多肽片段模擬膠原蛋白的礦化位點(diǎn)。在多肽輔助下的嵌段聚合物通過(guò)自組裝可以模擬膠原蛋白的多級(jí)組裝結(jié)構(gòu)。利用類膠原嵌段聚合物的組裝體作模板合成納米羥基磷灰石進(jìn)行仿生礦化。結(jié)合嵌段聚合物的分子設(shè)計(jì)研究礦化機(jī)理以模擬膠原蛋白的礦化過(guò)程。此外，利用定向冷凍法制備含定向孔的礦化類膠原嵌段聚合物的組裝體多孔支架材料。這樣制得的多孔支架可從納米尺度到微米尺度最終到宏觀尺度下模擬天然骨的多級(jí)結(jié)構(gòu)。在納米尺度下，材料應(yīng)具有膠原纖維的組裝結(jié)構(gòu)以及納米羥基磷灰石的礦化結(jié)構(gòu)。在亞微米尺度下可實(shí)現(xiàn)從類膠原嵌段聚合物和納米羥基磷灰石晶體組裝成類膠原微纖維、類膠原纖維和類膠原纖維束。在微米尺度下應(yīng)具有與人類骨結(jié)構(gòu)相似的定向
孔結(jié)構(gòu)、孔隙率以及孔徑大小。在宏觀尺度下應(yīng)具有與人類骨類似的形狀及力學(xué)性能。同時(shí)，還可利用新方的靜電紡絲三維制備技術(shù)，制備另一種類膠原基嵌段聚合物分級(jí)仿生骨修復(fù)納米材料。
（3）骨修復(fù)材料的生物活化
骨組織中，90%以上的有機(jī)基質(zhì)成分是膠原蛋白。但非膠原蛋白雖然含量少，但種類非常豐富，并起著調(diào)控骨形成相關(guān)的生物學(xué)功能。本研究中計(jì)劃采用四種功能多肽片段，通過(guò)EDC 化學(xué)交聯(lián)劑對(duì)膠原基骨材料進(jìn)行化學(xué)修飾和生物活化，使其具有生物活性功能，提高骨材料誘導(dǎo)成骨生長(zhǎng)，誘導(dǎo)血管生成以及骨髓干細(xì)胞歸巢能力等。

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This research project is to develop a novel three-dimensional
hierarchically-assembled biomimetic nanofiber bone substitute composite for for
large bone defect regeneration.
Using our proposed approach, we are able to fabricate a hierarchically organized
composite scaffold that mimics native bone organization from the level of nanometer
to millimeter. Collagen is the most abundant structural protein in bone and regulates
nano-HA deposition forming mineralized collagen fibers, which is the basic structural
and mechanical building block of bone tissue. In our proposal, we developed biomimetic
mineralization method for synthesizing mineralized collagen nanofibrous scaffolds,
which componently and structurally mimic nature bone from the nano- to micrometer
scale. Beyond that, we have recently developed a novel modified electrospinning setup
which allows us to fabricate not only random and aligned fibrous arrays, but also
block 3D nanofibrous scaffolds. The combination of these two novel skills allows us
to fabricate a kind of synthetic bone that mimics the hierarchical levels of native
bone organization from nanometer to millimeter. Besides, as we all know, non-collagen
proteins and growth factors in ECM of bone are critical for the function of bone
mineralization. We therefore designed several functional short peptides according
to the non-collagen proteins and growth factors in ECM of bone to modify composite
scaffold for promoting the bioactivity of our bone materials. This novel functional
composite scaffold has the great potential to replace autografts in bone repair as
a type of novel synthetic “real bone” if shown to be successful.
The main contents of the research project are list as follows.
(1) Fabrication of three-dimensional (3D) hierarchically-assembled biomimetic
nanocomposites for bone graft applications;
(2) Osteogenesis and angiogenesis of stem cells within the 3D biomimetic
nanoscaffolds;
(3) Evaluate the potential of 3D nanocomposite as a bone graft by large animal model
with critical sized bone defect.

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