生物材料的降解规律和细胞响应

The third-generation biomaterial is thought to be both biodegradable and bioactive. So how to regulate biodegradability of a biomaterial and its cell responses has got to be key fundamental questions for development of new biomaterials. The corresponding research especially for material degradability is, however, rather limited. Herein, the application project is aimed to investigate degradation of medical polymers and corresponding dynamic responses of cells. Based upon comprehensive understanding of bulk degradation and surface erosion and also hydrolysis and enzyme degradations, the applicant put forward a combinatory degradation mode with some aliphatic polyesters such as PLGA as the basic matrix and with some enzyme-sensitive materials constituting a water-proof surface layer. By this way, the biomaterial might exhibit good processibilty and mechanical properties, and meanwhile a tunable and modified degradation profile, which could match the tissue-formation kinetics much better. The project will also examine cell behaviors on those modified surfaces and the biodegradability of materials in presence of cells. The dynamic cell responses on biodegradable polymers will also be studied on model biodegradable hydrogels with well-defined surface patterns. Furthermore, this key project in application is going to examine the in vivo biodegradation, and is ambitious to set up the relationship between in vitro and in vivo biodegradation profiles for some typical biodegradable polymers.

第三代生物材料应当兼备可降解性和生物活性，因此，材料的降解规律和细胞响应是新一代生物材料研发所需要解决的关键科学问题；但这些基本问题、尤其是关于材料降解这个经典问题的研究进展缓慢，严重制约了生物材料的发展。本申请项目侧重研究医用高分子的降解规律以及在材料降解过程中细胞的动态响应。申请人综合分析材料的本体降解机理和表面溶蚀机理以及综合运用水解和酶解方式、提出了智能型复合降解的新思路，有望整合PLGA等现有本体降解型高分子良好的加工性能和力学性能以及部分表面溶蚀型高分子的降解具有细胞环境响应的特征，可使得材料降解更加可控、降解动力学与组织形成动力学相匹配。项目还打算研究材料表面的细胞行为和含细胞条件下材料的降解，拟运用所合成制备的具有表面图案的模型化水凝胶考察材料本体发生变化时细胞在材料表面的动态响应，并计划对生物材料进行体内观察、建立部分典型材料体内降解和体外降解的相关性。

新一代生物材料应当同时具备生物降解性和生物活性，这就需要对于材料降解规律以及材料与细胞相互作用在基础研究层面有深刻的认识。该重点项目探讨生物材料的降解规律和细胞响应。在以下四个方面开展研究并取得进展。（一）医用高分子等材料的表面修饰方法及经修饰的材料表面的细胞行为。不论降解规律还是细胞响应都与材料表面密切相关。项目组发展了在高分子水凝胶表面进行图案化的方法，构建了表面图案化的高分子水凝胶。项目对生物材料表面官能团的细胞响应作了深入研究，发现官能团影响干细胞的分化是通过调节细胞铺展面积而间接发挥作用。项目组还发现了可降解的聚（乳酸-乙醇酸）共聚酯（PLGA）等生物材料表面图案化拓扑形貌对细胞核的响应。（二）可控降解的图案化表面材料的合成制备、并发现材料的降解速率是干细胞分化的新的调控参量。为了将材料降解与细胞响应有机统一起来，项目组精心设计、并在国际上首次在含聚乙二醇（PEG）为主体的可降解水凝胶表面制备了精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）细胞黏附多肽的纳米阵列，发现在水凝胶生物降解过程中，基底软硬度本身和变化速率皆会影响干细胞行为。据此提出了dynamic cue这个术语，认为降解速率本身可作为一种独立的“动态诱因”在材料的降解过程中调控干细胞分化。（三）提出、并证实利用材料表面改性调控基底材料降解速率的新策略。课题组在PLGA材料的降解以及含寡聚酯的PEG水凝胶的降解方面开展了持续的研究。项目组还发现材料的表面改性也可以显著调控整体的降解速率，尤其是常见的可降解高分子如脂肪族聚酯与常见的金属如铁相结合以后，出现了很好的复合材料的效果，并提出了“金属-聚合物复合支架”的概念。（四）可降解生物材料的部分体内研究和初步临床转化。五年间发表SCI论文30篇，申请发明专利11项。项目为再生医学可降解生物材料的研发提供了新的思路。