仿生叠层结构骨修复材料的可控构筑及其性能的研究

Material performances are determined by their composition and microstructure. The multi-level structure and organic-inorganic hybrid characteristics endow natural materials with excellent mechanical and biological properties. In this project, we will prepare calcium carbonate/chitosan organic-inorganic hybrid hydrogel with biomimetic laminated structure, large size and high mineral content by in situ precipitation method. The dynamic self-assembly process of the organic-inorganic composite hydrogel will be traced by aggregation-induced emission fluorescent probes. The relationship between composition, structure and properties of the organic inorganic hybrids will be studied. And animal bone repair experiments will also be carried out to estimate the influence of composition and structure of organic-inorganic composite hydrogel. Ultimately, the organic-inorganic hybrid material with the best mechanical properties and the best bone repair properties will be a promising candidate for clinical application.

材料的组成与结构决定其宏观性能，天然材料的多层次结构和有机无机杂化的复合特性赋予了材料极好的力学性能和生物学性能。本项目拟采用原位沉析法可控构筑仿生叠层结构碳酸钙/壳聚糖有机无机杂化凝胶，高效（快速、大量）制备大尺寸、高矿物含量的有机无机杂化材料。拟采用聚集诱导发光荧光示踪有机无机杂化凝胶按空间顺序自组装的动态构筑过程，研究组成、结构与性能之间的关系，探讨有机无机杂化的匹配性，并开展动物骨缺损修复实验，最终确定力学性能和生物学性能最佳时的材料组成与微结构，为骨科临床应用提供一种新材料。

本项目采用尿素增溶、原位矿化法制备了具有仿生叠层结构的高无机物含量的壳聚糖-碳酸钙复合材料。采用尿素增溶法，实现了高钙离子溶液体系的均一性，并研究分析了尿素增溶原理，在成功保留壳聚糖凝胶三维有序结构的同时，引入高含量无机矿物，该方法简便易行，可实现大规模快速制备。目前水凝胶作为模板诱导矿化所得矿物含量只能达到中等水平，而原位矿化法制得的复合材料中有机-无机含量比例可调控，无机物含量可达90%，接近珍珠贝等天然产物，且碳酸钙/壳聚糖复合材料中的无机矿物具有特定方向的梯度分布。壳聚糖-碳酸钙复合材料具有仿生叠层结构，并有许多无机物颗粒嵌在壳聚糖基体中；采用荧光探针标记壳聚糖，在壳聚糖-碳酸钙复合材料中壳聚糖显示出明亮绿色，而无机物组分不透明，图像中显示为暗点，无机矿物颗粒呈梯度分布。制备了不同矿物含量的仿生多层次结构碳酸钙-壳聚糖复合材料，研究了材料组成、结构与性能之间的关系，在保证材料具有足够孔隙率和孔径大小的前提下，高含量的CaCO3矿物相可以募集更多的MSCs，从而加速后续的骨修复和新骨形成，能有效促进临界尺寸骨缺损的修复进程。与常见的将生长因子或细胞引入支架的复杂系统不同，该策略通过多层次结构设计和矿物含量的调控实现了类似的骨再生效果，在骨组织工程和再生医学领域，这将是一种可控且高效的治疗策略。