973项目申报书――组织诱导性生物医用材料的基础研究

973项目申报书――组织诱导性生物医用材料的基础研究内容摘要：

诱导作用的影响。 （ 1）建立特定组织诱导性研究的动物实验模型，特别是能够评价材料对特定组织诱导作用的实验模型，如材料植入部位、植入方式、特定组织形成的表征等。 （ 2）具有一定表面特征的材料表面 /界面及本体结构分析和表征。 （ 3）植入体的力学性能，特 别是几何形态、孔隙、表面构型和微结构及生物力学性能的表征和分析。 （ 4）装载基因的载体材料表面和本体结构与基因装载及控释性能表征。 （ 5）植入部位生理微环境的分析和表征，包括生理环境信号分子表达水平，细胞，特别是间充质细胞种类，特定细胞基因表达水平分析。 （ 6）具有上述材料学特征的植入体在具有一定特征的生理环境中所构成的植入体周边及内部微环境特征的表征，通过免疫组化、基因表达及细胞组织形态学分析考察微环境中特定基因表达、细胞分化途径。 （ 7）环境，特别是微环境参量调控，研究环境特征调控对细胞分化途径及其基因 表达的影响，阐明诱导特定组织形成的微环境特征与材料特征（包括携带控释基因的关系），对细胞分化途径及基因表达的影响和规律。 （ 8）基于上述研究结果反馈信息指导材料结构的设计和构建。 材料表面 /界面表征 特异性蛋白质层的形成及其构型和特征 蛋白层对细胞的选择性粘附 细胞沿特定组织形成途径分化 体内主要组织诱导分子及其构型 3．结构 —— 组织诱导关系及材料装配 （ 1）根据 2 研究结果提出赋予材料诱导特定组织形成的材料表面 /界面特征及用于特定组织修复的材料本体结构及其降解特性的要求。 （ 2）根据 2 的要求，借助计算机辅助设计功能，以构建和优化具有特定组织诱导性的材料及其表面 /界面结构。 （ 3）优化材料制备方法，如 基于生物分子调控的材料自组装、特定结构材料的分子设计、原位构建、表面 /界面改性、材料分层设计和构建、靶向功能基因的装载与控释等，根据组织修复与组织诱导能力优化原则，构建具有一定表面和本体特征的植入体，体内外试验评价组织诱导能力及生物功能性。 材料表面 /界面 特定生理环境表征 转载基因 植入体生物力学性质表征 组织形成 细胞分化途径、基因表达影响 细胞分化、组织形成环境表征及变化 临床试验 表面 /界面及环境研究结果 分子与分层结构设计 体内外试验 材料装配 计算机结构及功能设计 原位诱导功能表面构建 自组装 原位构 建基因装载材料 表面改性 4．生物医用材料的组织诱导生物功能及生物相容性试验评价 （ 1）诱导非骨组织形成的动物模型的建立。 基于生物学和医学研究结果，根据特定组织形成特征及生理环境分析，选择恰当的动物种类、植入部位、手术模型，探索表征材料组织诱导作用的标记或参量。 （ 2）组织诱 导性材料诱导组织形成的体外评价。 考察具有不同结构特征的材料在特定细胞培养过程中对细胞形态、分化、特征蛋白和基因表达水平和时序的影响，探索材料组织诱导性评价的体外分子标记。 （ 3）材料诱导组织形成的体内试验。 考察具有不同结构特征的材料体内组织诱导过程中信号分子和表征细胞分化功能的基因表达水平和时序，结合细胞、组织形态学分析，及体外试验结果，探索评价材料组织诱导作用和生物安全性的分子标记。 （ 4）材料组织诱导作用的生物安全性及临床应用潜力评价。 在基于ISO10993 系列的植入体生物安全性试验基础上，结合体内外试 验过程的分子标记及长期植入试验跟踪，评价材料组织诱导作用的生物安全性；根据材料植入后组织发生及形成时限、生物力学性能及相关生物功能评价其临床应用前景，并以临床试验及术后跟踪作为验证。 5．研究结论验证 —— 丝素蛋白基材料的生物功能构建 基于上述研究结果，设计和优化天然丝素基材料的组织诱导性，研究其诱长期植入跟踪 表征组织诱导的体内外试验模型 生物安全性分子标记研究 组织形成与基因表达及水平的关系 体内植入试验 ISO 10993 标准试验 细胞 /组织形态学研究 试验评价 科学基础 组织诱导性评价模型 生物安全性评价 生物功能性评价 分子事件表达 功能分析试验 导机理，评价其生物安全性及生物功能性。 可行性分析 1．本项目是在前期“ 973”生物医用材料项目实施基础上提出，已有前 期研究成果作为基础： （ 1）提出并建立了生物材料骨诱导理论，以及一整套在细胞和分子水平上的研究方法和模型； （ 2）已发现材料诱导软骨形成； （ 3）提出“维持血液凝血系统核心蛋白构象不变”的材料抗凝血假说，研究出一系列高分子两性离子和钛金属 TiO 膜抗凝血改性表面； （ 4）合成和装配出一系列高分子基因控释载体材料，并具有接近于当前世界上最高的基因转染率； （ 5）基于高分子材料的分子识别，研制出特异性血液免疫吸附材料； （ 6）自组装获得仿骨结构； （ 7）研制出新一代骨诱导人工骨及仿骨人工骨取证上市。 2．受材料 骨诱导理论启示，国际已展开材料对非骨组织诱导性研究，并已超前于国内研究： （ 1）荷兰 IsoTis 公司（已被跨国公司兼并）已开发出骨诱导人工骨，并取得欧共体市场准入上市。 （ 2） 2020 年第七次世界生物材料大会，第一次作为专题出现的“组织诱导性生物医用材料”吸引了来自世界各地的 100 多篇论文，会场数也从最初的一个增加到 4 个。 英国国家多学科生物材料研究中心、日本国家材料研究所、荷兰莱顿大学和法国等均已列项和组织力量开展研究。 3．通过前期“ 973”项目实施，已形成一支以中、青年为骨干的高水平的具有创新性的研究团 队，并有一批国家工程研究中心、国家和部省级重点实验室，以及国家认证的生物医用材料检验评价中心支撑。 （二）创新点 1．为赋予材料诱导组织再生的生物功能，国内外研究主要集中于外加生长因子或体外培养活体细胞，通过材料控释生长因子或细胞分泌的细胞素诱导组织形成，赋予材料诱导组织再生的生物功能。 体外培养活体细胞的主要问题涉及模拟体内环境培养活体细胞的复杂技术，时限性、免疫性、运输、储存等问题。 对于外加生长因子，由于对材料和生长因子及其相互作用与材料 表面 /界面分子结构和微结构的关系，材料对生长因子的特异性识别、选择性吸附和解吸规律和机制认识不足，因而恰当的吸附载体和生长因子在材料中的装配，一直是未能解决的问题，从而影响了昂贵的生长因子的有效合理使用。 本项目创新性地以通过材料自身优化设计，而不是外加生长因子或活体细胞，以及装载功能基因，通过基因转染调控细胞行为而赋予材料诱导组织形成的生物功能为特色；并以此特色和装配信号分子构建功能表面赋予材料组织诱导性为研究重点，避开体外培养活体细胞的复杂技术，提高信号分子活性及有效作用，同时避免了体外培养活体细胞带来 的其它问题，亦可大幅度节约治疗费用。 2．提出维持血液凝血系统核心蛋白构象不变赋予材料抗凝血性的学说，通过材料表面分子设计和改性赋予其诱导血管内膜形成功能，解决材料抗凝血性问题，为攻克小直径（ 4mm）的人造血管及抗凝血性优良的心血管系统植入器械提供了可行性。 国外同类研究是通过人造血管替代羊的血管，动物体内生成血管内膜，取出杀活、去除免疫源性解决人造血管的抗凝血性问题，效果不理想。 迄今国际尚无小直径人造血管上市。 心血管系统植入器械，国外大量使用植入器械表面释药及各向同性碳涂层解决抗凝血性问题，迄今仍不理 想，患者需每日服用抗凝血药解决凝血问题。 本项目通过材料表面诱生生物化抗凝血膜，即自然血管内膜解决抗凝血问题，可望不需服药维持植入器械的抗凝血性，可能为解决长期未获得很好解决的生物材料抗凝血问题开拓新途径。 3．建立在细胞和分子水平上研究和评价材料组织诱导性和生物相容性的整套方法和模型。 通过材料表面 /界面分子结构和纳米尺度微结构与蛋白和细胞基因表达的相互关系研究，探索和提出评价材料诱导组织再生的生物功能性和生物相容性的分子标记。 将生物相容性的研究推进到分子水平，国际上分子相容性的研究近年来才起步。 4．提出组 织诱导材料三维结构自组装原理和技术。 尚未发现国际同类工作报导。 5．发展装载基因原位构建组织诱导支架的设计和技术。 国际上仅少数实验室有类似工作，迄今未发现正式报导。 （三）课题设置 （ 分别说明每个课题的主要研究内容、目标、承担单位、课题负责人及课题在整个项目经费中所占比例等。 需要在国内竞争择优支持的课题需明确说明如何竞争择优、如何组织落实。 ） 共设置六个课题 1．生物材料 组织诱导作用的诱发及机理 本课题基于材料骨诱导作用研究的进一步深化，重点研究通过材料自身优化设计，赋予其诱导非骨组织再生的生物功能，并扩大 三维结构组织诱导性材料到二维（涂层）组织诱导性材料。 主要研究内容 ： （ 1）材料诱导非骨组织再生的体内外试验和研究模型； （ 2）材料表面 /界面及其结构（特别是分子结构和微结构）的表征、体内诱导骨和非骨组织组织形成的主要生长因子与材料的相互作用、特异性识别及选择性吸附规律及其理论模型； （ 3）诱导骨和非骨组织生长的三维微环境的形成、表征及其与材料表面和本体的组成、结构和生理环境的关系，对基因表达、细胞分化和组织形成途径的影响和机理。 （ 4）材料对骨和非骨组织诱导作用的诱发因素及机理。 （ 5）生物分子 、纳米磷酸钙功能界面和涂层分子设计和制备及其组织诱导作用和机理。 （ 6）材料生物相容性和生物功能性评价的分子标记。 （ 7）材料表面 /界面表征及植入体表面，特别是纳米级特征跟踪及生物相容性评价。 （ 8）临床试验模型及技术。 目标 ： 建立材料非骨组织诱导性的体、内外试验及研究模型；提出材料表。