图案化石墨烯掺杂纳米纤维/羟基磷灰石多孔分级结构骨仿生复合材料的构建及其修复骨缺损研究

The bone repairing materials for clinical require not only good mechanical performance, but the biomimetic structure and function. However, the complex structure of the natural bone is formed by the mineralized collagen fibers as the basic structure unit, and it's difficult to mimic the hierarchical structure in natural bone for the repairing materials in vitro. This project explores novel strategies to build bone bionics nanocomposites via the direct-current electric drive ion mineralization methods using the patterning three-dimensional porous tubular nanofiber scaffold as a template. The silk fibroin peptide is grafted on the electrospinning nanofiber scaffolds by the low-temperature plasma technology. In the regulation of aspartate, mineral ions are deposited and grow inside the nanofiber matrix mimicing matrix vesicles in vivo to regulate the mineralization for building the porous bone repairing materials with hierarchical structure. The project mainly researches the regulation and mechanism of nanofiber biomimetic mineralization by the direct-current electric drive, and establishes the structural features and mechanical models of biological composite bone at different scales, and studies the effect of nano biomimetic bone with porous and ordered structure on the cell adhesion and proliferation and bone repairing. The project will provide novel idea and the foundation of practice and theory for the design of bionic natural bone and repairing materials.

临床需要的骨组织修复材料不仅需要良好的力学性能，更需要结构和功能的仿生。然而，天然骨是以矿化的胶原纤维束为基本结构单元组装形成的复杂结构，体外难以构建仿生天然骨分级结构的修复材料。本项目提出图案化静电纺丝技术结合直流电驱动离子矿化的方法构建骨仿生复合材料的新思路。利用静电纺丝技术制备图案化纳米纤维三维支架，通过低温等离子处理技术在纳米纤维支架表面接枝丝素肽为矿化模板，在天门冬氨酸的调控下，通过直流电驱动矿物离子在纳米纤维基质内部沉积和生长，仿生生物体内基质小泡调控的矿化，构建具有分级结构的多孔骨修复材料。重点研究在直流电驱动下纳米纤维仿生矿化的调控和机制，建立骨仿生复合材料不同尺度的结构特征和力学模型、研究纳米仿生骨多孔有序结构对细胞的粘附、增殖和骨修复的影响。本项目将为新型仿生天然骨的骨修复材料的构建提供新的思路和理论基础。

骨修复材料不仅需要良好的力学性能更需要结构和功能的仿生。然而，天然骨是由其最基本的结构单元-矿化的胶原纤维经层层自组装而成的复杂的结构体，现有骨仿生材料难以多层次真正仿生天然骨的分级结构。本项目利用自主设计的图案化静电纺丝装置制备了三维多孔的纳米纤维材料，通过低温等离子处理技术在纳米纤维支架表面接枝丝素肽为矿化模板，利用直流电驱动矿物离子在纳米纤维基质内部沉积和生长，仿生生物体内基质小泡调控的矿化，构建了具有分级结构的多孔骨修复材料。本研究表征了纳米仿生骨在不同尺度的结构特征，还探讨了纳米仿生骨的结构对力学和生物学性能影响。研究表明：通过图案化静电纺丝技术所制备的PLGA纳米纤维材料显示了三维多层正交的结构；在掺杂GO后，PLGA纳米纤维直径由329 nm减小至89 nm；经低温等离子体处理PLGA/GO纳米纤维并接枝TSF后，可以诱导HA矿物晶体在纳米纤维表面成核和定向生长。相比无纺的纳米纤维复合支架，多层正交结构的复合支架的压缩性能得到显著改善，其压缩模量和压缩强度分别增加了将近1.7倍和0.6倍。体外细胞培养结果显示，我们所构建的具有分级结构的纳米仿生骨复合材料能够显著促进人骨髓间充质干细胞（hMSCs）的增殖和粘附，此外，细胞还能够长入多层正交纳米纤维支架内部，而且生长排列显示为多层正交结构，这与纤维的排列方式是一致的。体内植入实验表明，纳米仿生骨复合材料能够诱导骨组织再生，加快骨修复进程，在临床骨组织工程中具有良好的应用前景。