通过3D打印构建具有自主修复能力的仿生骨组织修复材料

Self-healing materials have the capability to recover their structures and functionalities upon injury, this self-healing capability is an important survival feature for animals and plants. Therefore, the search for constructing novel biomedical materials by mimicking self-healing property of natural tissue is desirable and of great importance. Compared with materials produced by irreversible bonds, materials produced by dynamic covalent chemistry are more sensitive to environment and better able to repair themselves. In this project, we design and synthesize silk protein bioinks with self-healing property by modifying silk protein with host-guest interactions. The composite scaffolds with extracellular matrix mimetic structure are accurately achieved through 3D bioprinting. Furthermore, we investigate the effects of self-healing biomaterials on stem cell behavior and discuss the possibility of self-healing composite scaffolds as bone defect repair biomaterials at the cellular and animal level. These composite scaffolds combing self-healing capability and controllable structure are expected to have potential application in the field of tissue repair and regenerative medicine.

自愈合材料能够识别损伤的出现，并立即进行自我修复，这种自我修复的能力是维持动物和植物生存的重要特征。因此，模拟生物体的自愈合性能构建新型的生物医用材料具有重要的现实意义。与不可逆化学键制备的材料相比，动态化学键制备的材料对外部环境的应激能力更强，更能满足机体组织的自我修复功能。本项目拟在丝素蛋白侧链修饰主客体活性单元的基础上，通过主客体单元之间的动态化学键作用，实现具有自愈合性能的丝素蛋白生物墨水的制备，并通过3D打印的技术，实现对骨组织结构的个性化精准仿生。以上述体系为基础，从细胞和动物水平，探讨具备自愈合功能的复合支架体系对干细胞行为调控和骨缺损修复的可行性。这种集自愈合性能和结构精准可控于一身的仿生复合支架体系，将在组织修复和再生医学等领域具有潜在的应用前景。

自愈合材料能够识别损伤的出现，并立即进行自我修复，这种自我修复的能力是维持动物和植物生存的重要特征。然而，目前制备的大部分骨组织替代材料都不能模拟天然组织的自愈合行为，导致组织结构的破坏，影响新骨的形成。本项目首先通过化学改性的方法，在丝素蛋白上修饰羧基，制备出羧基化的丝素蛋白溶液。随后，通过羧基与氨基的脱水缩合，在丝素蛋白上修饰环糊精，通过羧基与羟基的酯化作用，在丝素蛋白上修饰胆固醇，利用环糊精与胆固醇之间的可逆结合作用，制备出具有自愈合效果的丝素蛋白凝胶。对制备的丝素蛋白凝胶的化学结构、粘弹性、自愈合性和机械性能进行了详细研究。为了实现天然骨组织结构和功能的模拟，本项目进一步将羟基磷灰石纳米颗粒引入到丝素蛋白自愈合凝胶中，通过3D打印的方法，制备出结构精准可控的复合凝胶支架，对制备的凝胶支架的自愈合性和机械性能进行了详细研究。通过骨髓间充质干细胞的体外培养，研究了该复合凝胶支架的生物安全性及成骨诱导行为，并利用大鼠股骨缺损模型研究了该复合凝胶支架在体内的促进骨生成能力。实验结果表明，该复合凝胶支架具有自愈合效果和良好的生物相容性，能够显著提高骨的再生能力。通过本项目的研究，可以制备集自愈合性能和结构精准可控于一身的仿生复合支架体系，达到有效修复骨缺损的目的，为生物材料在组织修复和再生医学的研究提供新的思路和想法。