基于氨基酸聚合物生物锚定骨形态发生蛋白-2修复临界骨缺损的研究

Non-healing bone defects have become one of the largest threaten to human health and life today. The implantation of synthetic bone graft substitutes is a critical strategy for clinical bone regeneration. However, the cell adhesive function and osteoinductivity of the existing available synthetic bone graft substitutes were insufficient to recruit undifferentiated progenitor cells and trigger their differentiation into the osteogenic lineage. The loading of natural proteins such as cell adhesive extracellular matrix (ECM) proteins/peptides or osteoinductive bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) has been considered as an effective strategy to improve the cell adhesion and osteoinductivity of scaffolds/materials. The research in this project will mimic the cell adhesive function of ECM proteins/peptides and effectively load recombinant human BMP-2 (rhBMP-2) using poly-β-amino acid/poly-α-amino acid. We expect to fabricate bifunctional biomaterials that possess outstanding cell adhesive function and osteoinductivity for bone repair. The studies support the finding of optimum poly-amino acids that not only can possess cell adhesive function to substitute ECM proteins/peptides, but also maintain the bioactivity of rhBMP-2 through effective adsorption. The fundamental understanding of the relationship between the chemical structure and function for poly-amino acid will be obtained via systematic study for the effect of amino acid structure on cell adhesive function and bioactivity of immobilized rhBMP-2, and support the functional optimization of poly-amino acid. Additionally, the design consideration of this research aims to provide new thoughts on development of future tissue engineering materials.

骨损伤严重威胁人类健康。人工骨修复材料植入是目前临床治疗的重要手段，但细胞粘附差和骨诱导活性不足限制其临床使用。引入天然蛋白如具有细胞粘附功能的细胞外基质（ECM）蛋白和骨诱导潜力的骨形态发生蛋白-2（BMP-2）是提高材料细胞粘附能力和骨诱导活性的有效手段。本课题拟以氨基酸聚合物模拟ECM蛋白/多肽细胞粘附功能，通过聚合物蛋白吸附和调控功能，非共价结合人重组BMP-2（rhBMP-2），构建出兼具优异细胞粘附功能和骨诱导活性的双功能骨修复材料。为此，本课题通过便宜、易制备的氨基酸聚合物替代ECM蛋白/多肽，实现优异细胞粘附功能，并有效负载rhBMP-2，维持蛋白活性，降低使用量，期望获得理想功能同时降低制备成本。系统研究并分析聚合物化学结构对材料细胞粘附功能和rhBMP-2活性吸附能力影响，揭示聚合物化学结构-功能间联系，优化氨基酸聚合物性能，提出高活性骨修复材料构建的全新设计思路。

骨损伤严重威胁人类健康。人工骨修复材料植入是目前临床治疗的重要手段，但细胞粘附差和骨诱导活性不足限制其临床使用。解决人工骨修复材料的低活性问题是设计本课题的初衷。天然的细胞外基质蛋白在生理环境中具有良好的细胞粘附功能并结合各种生长因子，调控其在体内的功能发挥。将天然的细胞外基质蛋白修饰到生物材料表面是有效解决材料活性差的重要手段。但是天然的蛋白多肽存在稳定性差、易水解、价格昂贵等缺点限制其在临床使用及推广。因此本项目通过模拟细胞外基质蛋白功能设计并合成了两类氨基酸聚合物（包括α-氨基酸聚合物和β-氨基酸聚合物），通过高通量功能筛选优选出了具有细胞粘附功能和结合生长因子功能的氨基酸聚合物，氨基酸聚合物可与来自血小板衍生生长因子家族、上表皮生长因子家族、成纤维细胞生长因子家族、转化生长因子家族等多种生长因子具有可达nM级别的强亲和力。然后，设计了黏附分子等方法将氨基酸聚合物一步法接枝到水凝胶或市售的明胶海绵表面，以便于氨基酸聚合物在临床中使用。最终通过体内原位成骨实验和体内异位成骨实验验证了两类氨基酸聚合物可有效提高骨组织生成、加速缺损骨组织的修复过程。这意味着本项目的研究成果可促进生物材料细胞粘附并与多种生长因子结合调控组织修复过程，可有效解决人工骨修复材料活性差等难题，具有重要的临床应用潜力。.此外，在本项目资助下已发表高水平论文7篇,其中IF＞5的文章有5篇；申请国内专利1件。联合指导1名博士研究生和2名硕士研究生。