仿生凝胶体系中多元微量元素对类骨矿物介导作用的基础研究

骨质疏松症的防治是当前老龄化时代的一个世界性难题，微量元素在促进骨矿化、抑制骨吸收中发挥了重要作用，但是这些微量成分是否直接参与骨矿物合成、稳定骨矿物纳米结构并缓解破骨吸收，仍然是常规流行病学、组织病理学和细胞生物学研究方法难以解决的问题。本项目运用仿生矿化的原理与方法，设计并构建仿生型明胶-壳聚糖-模拟体液胶体体系，细致研究微量元素硅、锌、锶介导类骨磷酸钙行核、生长和自组装的基本规律，并深入探讨多元微量元素异质离子在胶体体系内对类骨磷酸钙矿物行核生长、稳定性和溶解性的调节与协同作用，找到类骨矿物磷酸钙纳米晶生长速率、超微结构演化和结构稳定性相关的微量元素调控机制。本项目旨在对微量元素促进成骨和/或抑制骨吸收的可能机制和途径获得更为全面的理解，本项目的完成将对探索微量元素对骨骼代谢、骨质疏松症防治乃至伴发骨折促愈合材料开发提供有益的知识和技术基础，同时为微量元素营养学的研究提供新的思路。

从化学角度围绕骨代谢必需微量元素硅、锶、锌、生物分子对骨矿化与去矿化(即稳定性或降解性) 、生物学效应问题展开深入研究，完成了研究内容并取得一系列重要成果。首先发现，类磷脂膜的溴烷铵(CTAB)胶束能促进骨矿物磷灰石(HA)前驱体磷酸八钙(OCP)生长形成纳米带物，引入微量多肽分子PAsp后 这种定向生长被抑制；同时纳米带对抑制骨质疏松的阿仑膦酸钠AS具有特异亲和性；进一步发现，极低浓度AS (≤8 μM)能抑制OCP向HA转化，16 μM以上则显著促进这种相转化，但是锶、锌等对其相转化效应不明显。研究还发现在2 μM PAsp条件下，硅、锶、锌和镁均能协同进入OCP晶格中，并组装成为1~2000 μM尺度可调的多孔微球；在骨质疏松症大鼠骨髓腔、股骨骨折、肌肉包埋模型和兔股骨缺损模型中均显示优良的降解性，具有促进血管化和骨再生特性。通过模拟骨组织细胞外基质微环境构建仿生矿化体系，制备出具有HA组成及一到四元微量元素协同摻杂的纳米粒，其稳定性随pH小幅下降而降低，多元生物活性离子溶解产物能显著促进骨质疏松病症来源骨髓间充质干细胞(OMSCs)增殖、分化和骨矿化，在骨质疏松性骨损伤模型中促进骨再生；运用该矿化反应在医用钛表面成功构建连续涂层，纳米晶生长被抑制，但是促进OMSCs生长和增殖。通过模拟骨质疏松微环境内多肽组成和无机电解质构成，首次发现矿化体系初期pH调节方法诱发纳米晶不同聚集模式；实施间歇式调整系统的酸碱度，微量元素对HA纳米晶的形态、生长速率具有明显介导作用，间歇式pH下降引起纳米晶粒尺度下降，晶粒聚集性下降，从而为体内破骨细胞诱导的微区pH下降造成骨疏松和骨力学强度衰变提供了依据。本项目的研究结果不仅回答了项目提出的主要科学问题，并解释了两种不同类型抗骨质疏松物质改善骨矿物稳定性的化学机制，还为解决病理性骨损伤修复开发新型微创治疗纳米复合材料开拓了新的技术方案。以本项目研究成果为基础，还申报并取得包括省科技厅、市-校合作等后续研究项目；正式发表SCI收录学术论文7篇，其中J PCC、Acta Biomater、JMC-B、J Inorg Biochem各1篇，其他IF2以上学术论文3篇；待发表论文2篇。参与国际、国内学术会议9人次，作学术报告2次，poster 3篇，获优秀论文奖1次；获授权发明专利2项；培养研究生2人；与中科院宁波材料所等开展了学术交流