基于生物纳米粒子的新型骨再生修复材料的制备及其生物活性作用研究

本研究将利用与原胶原具有相似结构和组装性能的棒状生物纳米粒子，噬菌体M13，作为基本组装单元，构建一种新型的骨组织再生支架材料。首先通过基因修饰技术将骨活性因子（短肽或多肽段）融合到M13蛋白壳体表面，利用活性肽对羟基磷灰石的诱导作用，形成类骨质磷灰石(HAP)/M13，通过与胶原的复合及对比，体外研究其仿生矿化作用；然后利用M13的自组装特性和有序化静电纺丝技术，将HAP/M13和骨生长因子/M13复合构建微纳米有序纤维支架，体外研究其骨诱导作用。采用M13作为组装单元研究构建骨组织再生修复材料的优势在于其有序的组装结构具有诱导细胞生长和排列功能，以及成熟的基因修饰技术可赋予M13骨诱导活性。本研究的意义在于将提供一种新型的骨组织再生修复材料，该材料模拟骨细胞外基质的多级结构和化学组成，有助于形成人体骨的多级有序结构，实现骨损伤的仿生修复。

仿生构建骨组织通常从结构和组成上入手模拟天然骨，进而达到功能上的模拟，实现骨的再生。以往的研究显示矿化胶原组装而成的微纳米结构和生物矿化的机制是仿生构建骨的关键。本项目利用具有独特组装特性的柔软棒状生物纳米粒子，噬菌体M13，来模拟原胶原的组装，并将其用于仿生矿化作用研究。首先我们分别对M13进行化学和基因修饰，获得几种改性M13，其表面蛋白融合或增加了具有生物矿化活性的短肽；然后我们研究了改性M13的生物矿化作用，并通过静电纺丝技术，获得M13/聚合物纤维支架，并研究其骨诱导作用。.1）.采用化学修饰的方法，将细胞粘附因子RGD和生物矿化活性蛋白BSP 和DMP1中的活性短肽段EEEEEEEE，EEEEEEEE-FITC和QESQSEQDS，分别连接在PVIII表面蛋白单元中。采用基因修饰的方法，将生物矿化活性蛋白BSP活性肽段EEEEEEEE和QESQSEQDS融合到PVIII表面蛋白单元中；.2）通过液相浓缩矿化的方法，研究了野生型M13噬菌体、化学改性和基因改性E8-M13噬菌体对HAp矿化的诱导。结果表明，野生型M13噬菌体几乎不具备诱导矿化的能力，化学改性E8-M13噬菌体对羟基磷灰石的矿化具有一定的加速能力，而基因改性E8-M13噬菌体则有较明显的定向调控诱导羟基磷灰石矿化作用，并对矿化机理进行了分析；.3）通过静电纺丝的方式，研究各种各向异性纳米粒子在电纺丝中的组装，并分析纳米粒子对基体聚合物的结构和性能的影响； .4）通过静电纺丝的方式，构建了含有M13和骨活性因子的纤维多孔支架材料，并进行体外进行仿生矿化研究。结果表明静电纺丝制备的E8-M13/PVA纤维支架材料具备特殊的矿化诱导作用。.5）通过体外实验观察大鼠骨髓基质干细胞（rBMSCs）在纤维支架材料表面的生物学行为，分析纤维支架中的活性肽对细胞的成骨潜能和向成骨细胞分化的影响。结果显示含M13静电纺丝纤维膜对rBMSCS细胞的成骨分化存在明显的促进作用。