具有负载核酸复合体及表面抗菌功能的骨组织工程支架的构建及其作用机制研究

The therapy methods of large bone defects and infection are the common problems in orthopedics. To solve these problems, this project proposes to fabricate functionalized bone tissue engineering scaffolds with nucleic acid complex-loading and surface antibacterial properties for the therapy of infectious bone defects. To realize the high transfection efficiency and low toxicity on osteogenesis-related cells, a series of novel polycationic gene carriers will be synthesized by the ring-opening reaction of small molecules with multiple amino groups or epoxy groups, followed by modification by bioactive molecules. The gene carriers will condense the nucleic acids with osteogenesis-promoting genes to form nanocomplexes. The nanocomplexes will be loaded by biodegradable bone tissue engineering scaffolds to achieve high performance on bone reparation. To resist the infection during the therapy process, the surfaces of nanocomplex-loaded scaffolds will be functionalized with antibacterial polymer. The physical, chemical and biological properties will be universally characterized, and the relationship between their structures and performances will be illustrated. Moreover, their in vivo bone regeneration and anti-infection efficiencies will be confirmed by animal experiments. By this project, a series of novel bone tissue engineering scaffolds with high performance on bone regeneration and antibacterial, and the theory basis will be provided to develop new bone tissue engineering scaffolds in future.

大于临界尺寸的骨缺损的修复及其治疗过程中可能发生的感染问题，是目前骨科临床上的常见问题。针对这一问题，本项目提出构建具有负载核酸复合体及表面抗菌功能的骨组织工程支架，用于感染型骨缺损的治疗。通过多氨基、多环氧基小分子化合物的开环反应，合成系列超支化阳离子基因载体，并对其进行后修饰，使其对成骨相关细胞具有低毒高效的作用。将合成的基因载体与携带促成骨基因的核酸复合，制备骨组织工程支架材料负载核酸复合体，以增强骨修复的效果。对获得的负载核酸复合体的骨组织工程支架进行表面抗菌功能化，使其具备抗感染的能力。对所构建的具有负载核酸复合体及表面抗菌功能的骨修复材料进行全面的理化结构分析和生物学性能评价，探索其构效关系与作用机制，并对其体内抗感染、促修复性能进行验证。通过本项目的研究，有望获得具有良好促骨修复和抗菌性能的骨组织工程支架，并为将来新型材料的研发提供理论依据。

针对骨缺损修复问题及植介入材料引发的感染问题，本项目初步探索了支化阳离子核酸递送载体的结构设计与制备方法，并在典型的骨科植入材料、牙科种植体和医用导管表面构建了功能化的抗菌涂层，以实现感染的防治。通过用氨基与环氧基的开环反应，通过一锅法合成了支化阳离子聚合物证实其具备络合核酸的能力，并且有优秀的降解能力、生物相容性和对于骨肿瘤细胞的转染能力，初步验证了新型支化阳离子核酸递送载体用于成骨相关细胞的可行性，为未来采用基因治疗技术促进骨缺损再生的研究提供了材料方面的支撑。在羟基磷灰石表面设计并构建了一个稳定长效的自适应释放型抗菌表面，使改性后的支架具有细菌响应性，并可以多次抵抗感染发生。通过对聚合反应时间的控制，可以获得不同修饰程度的支架，并通过股骨缺损的家兔感染模型证实了其在活体内的优异抗感染与骨修复能力。将低分子量的阳离子抗菌剂和促进骨结合作用的功能小分子通过席夫碱反应与聚合物刷结合，成功构建了具有抗菌和促进骨结合特性的多功能植入体表面，具有良好的抗菌性能和生物相容性。在体内验证了其良好的体内抗感染性能和骨结合性能。通过构建双层聚合物刷，设计并构建了一种集防污杀菌生物相容性于一身的功能化导管表面。其中下层是亲水性聚合物，上层是偶联抗菌肽的带负电聚合物，对细菌和血细胞具有良好的防污效果，含弱正电荷的抗菌肽赋予了材料表面较高的杀菌效率。此外，在流体循环环境中依然具备出色的抗菌性能。在动物实验中，此类表面可以抑制导管引发的细菌感染。本项目的研究成果为抗感染医疗器械的发展提供了新的策略。