组织诱导性生物医用材料的基础研究

1、项目名称：组织诱导性生物医用材料的基础研究首席科学家：顾忠伟四川大学起止年限：2005.12至2010.11依托部门：教育部一、研究内容鉴于传统生物医用材料的时代正在过去，与生物技术结合赋予材料生物结构和生物功能，即发展可诱导组织或器官再生、恢复和增进机体功能的材料，已成为本世纪生物医用材料科学发展的方向和前沿，并正在对产业产生越来越大的影响和效应；鉴于我国技术含量高的生物医用材料和制品市场已为进口品所充斥，高技术生物材料产业体系尚未形成；鉴于国际生物医用材料科学前沿研究起步不久；因此，立足生物医用材料科学和产业前沿，以跨越式地发展高技术生物材料前沿产业为重点，并以此引导传统产业的技术更新和产

2、品换代，是振兴我国生物材料产业，满足保障广大人民健康需求和社会、经济以及国防事业发展对生物医学材料和制品的迫切需求，进而培育国民经济的新增长点的最佳选择。本项目瞄准生物医用材料科学与产业发展的方向和前沿、临床最迫切需求的材料；基于我国社会、经济发展的客观现状，生物医用材料研究开发和产业的基础；与前期“973”项目衔接，凝聚其重要研究成果，以发展可诱导组织再生的生物医用材料为核心，通过材料自身优化设计及装载功能基因及信号分子赋予材料组织诱导生物功能为重点，推进和提升前期“973”项目对生物材料骨诱导作用研究到材料对其它组织诱导作用研究，扩大建立较为完整的生物材料组织诱导理论，为形成和发展以具有组

3、织诱导性的新一代生物医用材料和制品为特色的我国高技术生物医用材料产业奠定科学基础。与此同时，选择覆盖高技术生物材料市场80%以上的矫形、整形外科和心血管系统修复材料为研究对象，以对整个生物医用材料产业的发展产生直接效应，促进较为完整的现代医用生物材料产业体系的形成，并保持其持续发展的市场竞争活力，满足社会、经济和国防事业的迫切需求。拟解决的关键科学问题：材料的组织诱导性与材料的组成、结构、生物力学性质、生物环境及其相互作用的关系、规律和机制。其核心是：在细胞和分子水平上深入认识材料表面/界面及组织形成环境及其特征与体内生物活性分子（生长因子、蛋白、基因、酶、组织康复因子等）和细胞的相互作用，特

4、异性识别和选择性吸附/粘附规律，及对细胞分化和组织形成的影响和机理。主要研究内容围绕拟解决的关键科学问题，本项目的主要研究内容如下1.材料表面/界面和表征及其与生物活性分子的相互作用对蛋白、生长因子等的特异性识别、吸附、解吸以及细胞粘附、分化的影响、规律和机理(1)材料表面/界面组成、结构(特别是分子结构和纳米尺度微结构)及生物力学性质(植入体几何形态、表面构型、孔隙、力学性质等)及其对水、蛋白等的分子构型、基因表达的影响，与蛋白、生长因子等的特异性识别、吸附的关系、规律和机理。(2)材料一宿主间特异性功能界面的形成、表征及其对细胞特异性识别、黏附、分化、基因表达及特定组织形成的影响。(3)影

5、响特定组织形成的主要生物化学信号及其相互作用和对细胞分化和组织形成的影响。(4)装载于材料中的功能基因、信号分子及其转染和作用对细胞和蛋白行为的调控，特征蛋白的合成、分泌及组织形成的影响和机制。2 .组织发生和生长的环境，特别是微环境的形成、特征及其对细胞因子合成和分泌、基因表达、细胞分化和组织形成途径的影响和规律(1)材料和植入体的几何因素(形态、孔隙、表面构型、显微结构、力学性质等)、体液组成和特征(pH值、蛋白、流速等)及细胞对生理环境中组织形成环境的影响和机理。(2)组织形成的环境，特别是微环境，及其特征与细胞因子合成和分泌、基因表达、细胞特异性分化和特定组织形成等的关系、作用规律和机

6、制。3 .材料结构与诱导组织再生生物功能的关系，及其分子设计与装配(1)自然组织的分子图象及材料分层结构与功能的计算机辅助设计。(2)材料的合成及其与体内原位蛋白、细胞的相互作用；功能界面和支架的设计、特征、降解、及降解产物对组织形成的影响。(3)生物分子及无机纳米粒子的功能表面和结构设计及三维装配。(4)有机、无机材料抗凝血生物活化功能表面及涂层的分子设计和表面改性。(5)二维、三维功能和表面支架与功能基因和生物信号分子的复合与装配。4 .组织诱导性生物医用材料的生物相容性和生物功能性评价的科学基础及试验方法(1)研究和试验材料组织诱导性的体内、外及临床试验模型。(2)材料组织诱导性及其生物

7、安全性评价的分子生物学基础及分子标记。(3)材料表面/界面表征及植入体表面，特别是纳米级特征的跟踪技术和方法。(4)评价和预测材料组织诱导性的长期生物安全性、可靠性的方法和模型。本项目研究内容是在总结前期“973”项目实施基础上，结合学科最新发展和国家需求，对前期工作的提炼、深化、延伸和发展。研究重点集中于前期原创性的骨诱导理论启示的具有诱导非骨组织再生的生物功能医用材料，并将前期基因载体材料及其控释系统的研究成果，融入发展装载功能基因的组织诱导生物医用新型材料，与通过材料自身优化设计赋予材料生物功能的研究相结合，形成我国”组织诱导性生物材料”的特色和优势，继而建立较为完整的“生物材料组织诱导

8、”理论。较之前期“973”项目，本项目研究目标更为集中、明确，创新性更加突出；选择覆盖生物相容性材料市场80%以上的矫形外科、软组织修复和心血管系统修复材料为重点和突破口，加之材料装配和分子相容性研究，本项目实施可初步为我国完整的高技术生物医用材料产业的形成和发展奠定科学基础；材料组织诱导性的研究在细胞和分子水平上展开，材料的设计在分子水平上进行，较之前期“973”项目，研究水平有量级的提升。因此，本项目提出的研究内容不仅具有前期研究基础，而且围绕拟解决的经过高度凝练的关键科学问题，富有科学性、前瞻性及原始创新性。二预期目标总体目标本项目的目的在于：立足生物医用材料科学和产业前沿，为本世纪我国

9、生物医用材料和制品产业跨越式地发展奠定科学基础，并产生直接效应。其基础在于前期“973”生物材料项目的成功实施和对科学问题的进一步凝练和深化。为此，项目总体目标是：通过细胞和分子水平深化材料诱导组织再生的生物功能与材料的组成、结构关系的认识，形成和发展“生物材料组织诱导”理论；在通过材料自身优化设计和装载功能基因和信号分子赋予材料诱导组织再生的生物功能方面形成特色，保持我国此方面研究的优势地位；以覆盖生物医用材料市场80%以上的矫形、整形、软组织修复材料、心血管系统修复材料为重点，选择其中有代表性的典型材料为研究对象，以带动我国现代生物医用材料科学和产业体系较为完整的形成，并对相关产业的发展产

10、生直接效应；与此同时，培养出一批世界级的中、青年生物医用材料科学与工程学术带头人和多学科交叉的、国际先进水平的创新型学术骨干，为进一步发展我国生物材料科学与产业并赶超国际先进水平奠定基础。通过本项目实施，将在生物材料科学的理论、方法及技术等方面取得突破性进展，这不仅对生物医用材料科学、医学乃至生命科学的发展具有重要的科学价值，而且也将对解决国家重大需求做出重要贡献。1 .建立生物材料组织诱导理论，提高我国生物医用材料科学的基础理论研究水平“组织诱导性生物材料(TissueInducingBiomaterials)”是本项目科学家基于我国原创性生物材料骨诱导理论，于2004年与国际科学家共同提出

11、的生物医用材料的新概念，并被第七次世界生物材料大会列为专题组织了4场讨论会，已为国际生物材料界所接受。其核心在于无生命的生物材料可诱导再生有生命的人体组织和器官。不仅是可诱导骨组织再生，而且可诱导再生其它非骨组织。本项目“生物材料组织诱导”理论的建立，将是当代生物医用材料科学重点“赋予材料生物结构和生物功能的设计”的重大突破性进展，可望开拓发展本世纪生物医用材料的新途径，并促进相关医学学科的发展，降低医疗费用，亦将对生命科学认识论产生重要影响。主要表现在下述几点：(1)揭示材料表面/界面的组成、结构，特别是分子结构和纳米尺度微结构，及其对体内蛋白、生长因子、功能基因、细胞的相互作用，特异性识别

12、和选择性吸附/粘附的影响和规律，为特定功能的表面/界面设计以获得预期的功能组织奠定理论基础。(2)揭示和表征特定组织形成的环境，特别是微环境，及其对基因表达、细胞分化和组织形成途径的影响、规律和机理。(3)揭示材料表面/界面及微环境对血液凝血系统核心蛋白构象的影响、作用和机理，建立完善的维持血液凝血系统核心蛋白构象不变的抗凝血学说，诱导抗凝血生物化表面形成的材料表面/界面分子设计及改性原理。(4)揭示装载于材料的功能基因和特定信号分子对体内细胞转染和作用的规律；激活细胞分泌特定蛋白、生长因子，调控细胞分化途径的机制，以及材料表面/界面和微环境对其的影响和作用。(5)探索评价材料生物相容性和生物

13、功能性的分子标记，推进材料分子相容性的研究。2 .在研究方法和技术方面预期突破。主要有：(1)建立基于细胞，特别是在分子生物学水平上对材料组织诱导作用研究、试验的成套方法和模型，评价组织诱导性和生物相容性的分子生物学方法。(2)具有功能基因、特异性信号分子的材料功能表面/界面及支架构建技术和调控方法；原位组织诱导材料的宏观塑型和微观结构控制技术和方法；微创伤原位组织诱导材料的构建方法和技术；诱导组织再生生物材料的自组装原理、技术和方法。(3)血液相容抗凝血生物功能材料的表面改性技术和方法，抗凝血生物化表面构建的技术和方法。通过本项目实施，可为推进我国生物材料科学基础理论研究达到国际先进水平，创

14、新性地开发一系列具有我国自主知识产权的新型生物医用材料，立足国际前沿形成和跨越式地持续发展我国现代生物材料科学和产业，初步奠定科学基础，而且可对推动我国社会、经济急待发展的这一领域做出重要贡献。3 .发展生物材料检验评价的公用平台通过本项目实施，提升已通过国家认证的、依托四川大学的“四川医疗器械生物材料和制品检验中心”的科学技术和管理水平，特别是对组织诱导性生物医用材料和组织工程化制品的检验评价水平，发展生物医用材料和制品的检验评价技术、标准及其科学基础，使之成为我国第一个通过国际互认的、世界一流的生物医用材料检验评价中心，符合国际标准的我国乃至国际的公用平台，同时为实现我国生物医用材料在国际

15、贸易中的平等交往和进入国际市场奠定基础。通过本项目的实施，将进一步凝聚国内从事生物材料领域的主要研究力量，培养和形成一支多学科交叉、老中青结合、以时俱进、开拓创新、思想活跃、紧密团结的生物材料研究、开发和临床应用队伍，以及一批具有国际影响力学科带头人，特别是中青年学科带头人和创新型学术骨干。巩固和发展一批从事本领域基础和应用基础研究的具有国际水平的国家及部门重点实验室，国家工程技术研究中心，生物材料和制品检验评价中心以及研究开发及临床应用基地和专门机构。从而为我国现代生物材料科学与工程构架的形成及其持续发展发挥重大的作用和深远的影响。五年预期目标1 .发展“973”前期生物材料骨诱导理论，初步

16、形成较为完整的生物材料组织诱导性理论，保持我国此方面研究的优势和领先地位。2 .研究开发出软骨、皮肤、血管等组织诱导性材料和制品，抗凝血生物化表面血管支架、组织诱导涂层材料及微创伤原位成型组织诱导材料，并提供4种左右组织诱导性生物医用材料和制备技术供中试和临床试验，对覆盖生物医用材料产业80%以上的矫形和整形外科材料、心血管系统修复材料等高技术产业的形成和发展产生直接效应。3 .建立起模拟生物环境的表面/界面过程分析和表征方法，包括在细胞和分子水平上的材料一一细胞界面静态和动态过程分析方法，以及试验和研究材料组织诱导性的模型，评价其生物相容性和组织诱导性的系列方法。4 .基本建成国际互认的生物

17、医用材料和制品检验评价及其科学研究的公用平台。5 .作为基础研究成果的反映，本项目将发表400余篇学术论文，其中绝大多数为SCI等三大检索系统收录和引用，并获得20多项专利，争取获得几项国家级或部、省级奖。三、研究方案（一）总体研究思路、技术路线及可行性总体研究思路组织诱导性生物医用材料（TissueInducingBiomaterials）,是指具有诱导组织再生的生物功能的生物医用材料，如诱导骨、皮肤、血管、血管内膜、神经等再生的材料。公认的看法是：一种组织能被诱导形成，必须满足三个条件：（1）在组织形成部位，存在具有向特定组织细胞分化潜能的间充质细胞；（2）存在诱导间充质细胞向特定组织细胞

18、分化的生物化学信号或信号分子；（3）一个恰当的组织形成环境，即可容纳细胞、细胞产物、细胞外基质的支架或衬底，且其可对组织形成过程中基因表达和细胞分化途径调控，确保其沿特定组织形成的途径分化并最终形成特定的组织。因此，通常认为无生命的生物材料之所以不可能诱导组织形成，关键是不具有诱导组织形成的生物化学信号分子等。环境调控I细胞外基质形成诱导组织形成过程示意图为赋予材料诱导组织形成的作用，目前的途径主要是：充分利用机体自我康复的功能，于材料中外加生长因子或活体细胞，通过材料控释生长因子或活体细胞分泌的细胞素，诱导间充质细胞向特定组织细胞分化，最终形成特定的组织C对此，关键是要求一个对特定生长因子和

19、活体细胞具有亲和性并可保持其活力的功能表面，以及适合于特定细胞分化、增殖，并确保特定组织得以形成的环境，特别是微环境。显然，了解材料表面/界面及微环境与生长因子和活体细胞的相互作用及规律，是设计满足上述材料的关键，最佳途径无疑是仿相应自然组织设计和装配。十分明显，设计装载信号分子的功能表面，原位诱导组织形成，可避免模拟体内环境体外培养细胞的既复杂又耗时的技术，已得到极大的关注。最近发展的另一条赋予材料组织诱导作用的途径，即主要由我国科学家提出和发展的新途径：通过材料自身优化设计，而不外加生长因子或活体细胞，赋予材料诱导组织再生的功能。其关键是对特定蛋白和细胞具有选择性吸附/粘附作用的材料表面/

20、界面组成及结构设计，以及适合于特定组织形成的并可调控细胞基因表达和分化途径的组织生长环境设计。如果表面/界面可选择性吸附骨生长因子和骨组织细胞，将可能诱导新骨形成；选择性吸附内皮细胞则有可能形成血管内膜。显然，对表面/界面与蛋白和细胞相互作用及其特异性识别及吸附/粘附规律，以及微环境对细胞分化和组织形成影响的深入了解，是发展此类组织诱导性材料的关键。为此，深入了解特定组织形成的主要组织诱导信号分子和材料表面/界面结构和微环境及其相互作用是十分必要的。生物医用材料对组织形成的诱导作用，决定于材料对蛋白和细胞行为的调控。本项目对材料组织诱导性提出一个新思路，即利用材料转染基因来调控细胞行为，使其可

21、分泌生长因子等特异性蛋白，从而调控细胞向特定组织分化，或增进其组织诱导能力，以赋予材料组织诱导性。其基础仍是了解材料表面/界面及其对基因活性和细胞行为的影响和规律。此研究还可与基因治疗结合，有利于病变部位病灶的清除。止匕外，还可发展出适于微创伤治疗原位构建的组织诱导性支架材料。对此，目前尚未见有成功的报导。由此看出，无论通过什么途径赋予材料诱导组织形成的生物功能，需解决的关键问题是共同的，即：材料表面/界面及其特征与蛋白、细胞相互作用、特异性识别和吸附/粘附的规律和机理；微环境对基因表达、细胞分化途径的调控及规律和机理。但是，不同途径研究的侧重点不同；材料对不同组织的诱导作用需重点研究的细胞和

22、蛋白有所不同，对材料自身的组成和结构的要求也有所不同。为此，项目以通过材料自身优化设计和装载功能基因，以及装载信号分子形成功能表面，赋予材料诱导组织形成的作用为重点；自身优化设计和装载功能基因为特色；在深化前期“973”材料骨诱导作用研究基础上，以材料对软骨、皮肤、抗凝血生物化膜、神经等软组织的诱导作用为对象展开；以从不同途径对不同组织的诱导作用的侧面展开研究，综合汇总解决上述共性关键问题，从而在分子水平上较为完整地揭示材料的组织诱导作用的规律和机理，形成完整的生物材料组织诱导理论，并对覆盖生物相容性产业80%以上的矫形及整形外科材料、心血管系统修复材料等我国高技术产业的形成和发展提供科学基础

23、，产生直接效应。材料的表面/界面及本体结构是决定材料对组织诱导作用的根本。基于上述研究结果，进一步研究材料生物功能与结构的关系，设计和制造出具有组织诱导性的典型材料是本项目实施成效的重要标志。自然组织本身就具有再生的功能，通过计算机分析和模拟设计，并模拟自然组织仿生装配材料结构，是发展组织诱导性材料的最佳途径；材料的逐步降解、最终为新生组织替代是组织重建的最好结果。同时，材料的降解还涉及到被吸附的生长因子释放而激活。因此，本项目将材料结构与组织诱导功能的关系、自装配以及材料的生物降解亦列为主要研究内容。表征材料的组织诱导作用，特别是非骨组织的诱导作用，必须建立合适的体外和体内模型，同时，组织诱

24、导作用的生物安全性是其应用的首要问题。因此,本项目亦将其研究列为主要研究内容。胶原蛋白是机体组织的主要有机质，特别是软组织。但来自异种动物的胶原，由于其免疫性等问题限制了它的使用，蚕丝丝素蛋白是我国的一种资源丰富的天然高分子，研究表明，具有良好的生物安全和可控降解性，有很大的应用前景。故本项目将其列为研究内容，拟应用项目研究的基本原理，充分利用丝素蛋白基材料的特点，构建诱导组织形成的生物功能。一方面作为研究结果的验证，另一方面扩大其用途，以发展出一类新型组织诱导性生物医用材料。技术途径技术途径方框图如下：自然组织分材料子图像计算试验则“973”存究结果吸附规律和机理修体外细胞3(r定定内附盒体

25、卿散性植入生物学性临床能评价、t1.表面/界面蛋白、细胞及相互作用(1)材料表面/界面特征，特别是微结构特征的表征。(2)不同表面特征的材料对特定组织形成信号分子的吸附研究。选择单一蛋白和多种蛋白吸附模式，体外实验与体内模型相结合，探索材料特征对吸附蛋白种类和蛋白吸附量的影响。(3)材料表面特征与吸附蛋白分子结构及构型的关系。通过表面分析手段和结构化学计算，结合蛋白分子数据库信息，研究材料表面特征与吸附蛋白种类的关系。(4)吸附蛋白分子后的材料表面对细胞粘附和分化的影响。通过体外和体内实验，研究细胞在不同特征的材料表面/界面的粘附和分化行为，通过细胞形态、细胞分化的特征蛋白和基因表达的分析，阐

26、明材料表面特征及其吸附蛋白对细胞粘附和分化的影响。(5)三维多孔材料的体内外蛋白吸附对细胞粘附及分化的影响，初探环境对蛋白和细胞吸附/粘附及细胞分化途径的调控和影响。(6)根据吸附蛋白分子和细胞粘附、分化的分析结果，探索有利于特定组织形成的蛋白质分子选择性吸附和沿特定组织形成的细胞粘附和分化的材料表面结构设计要求，反馈信息指导材料表面结构设计和构建。材料表面/特异性蛋白质层的形一蛋白层对细胞细胞沿特定组织形体内主要组织诱2 .组织形成环境一一对细胞基因表达及分化途径的影响和关系研究研究诱导特定组织形成的微环境的形成、表征及其对组织诱导作用的影响。(1)建立特定组织诱导性研究的动物实验模型，特别

27、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

28、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。3 .结构一一组织诱导关系及材料装配(1)根据1、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1、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

29、、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。表面/界面及环计算机结构体内外试验临床试验材料装配.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

30、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。组织形成与基细

31、胞/组织形组织诱导性评价因表I大及水平表征介乎事件表I大组织诱导的体生物安全生物功能性评价ISO10993标长期体内植入生物安全件分乎标功能分析试验评价5.研究结论验证一一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

32、子和钛金属Ti-O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 2)2004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

33、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

34、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

35、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

36、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

37、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

38、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；提出材料表面/界面与体内本征蛋白相互作用及选择性吸附的理论模型；提出适于特定组织形成的微环境的表征，及其对细胞基因表达及分化途径的调控规律和机理；证明材料对非骨组织的诱导作用；初步揭示诱

39、发材料对非骨组织诱导作用的材料学因素，提出机理解释。完成专著一部，发表SCI收录论文100余篇，获国家发明专利10项左右；研发出3种左右新型组织诱导性生物医用材料和涂层，进入临床试验，力争取证。承担单位:四川大学、中国科学院上海硅酸盐研究所课题负责人:张兴栋(教授、博导)、刘宣勇(副研究员、博士)经费比例:22%2 .原位诱导组织再生材料及其功能界面本课题重点研究可原位诱导软骨和皮肤再生的三维材料及其功能表面的设计和构建。主要研究内容：(1)材料对软骨和皮肤特异性生长因子和细胞的识别、选择性吸附/粘附与材料组成、结构的关系和机理。(2)材料的表面设计及具有特异性信号分子的原位诱导功能界面的构建

40、，信号分子与表面结合和对细胞分化的调控机制。(3)原位诱导软骨和皮肤的功能界面与细胞外基质分子粘附、细胞生长、分化和诱导再生功能间的关系；材料表面/界面与基质蛋白、细胞间作用的规律和机制；软骨和皮肤细胞的生长、增殖机制及与材料的融合机理。(4)利用自组装的原理和技术制备具有一定宏观形状和微结构的三维诱导组织再生材料，并建立对该材料降解行为的体外和体内试验评价体系。(5)可注射原位聚合或固化成型的软骨支架设计和构建。(6)材料生物安全性和功能性试验和评价，动物和临床试验模型的建立。目标:阐明软骨和皮肤细胞外基质的组成、结构、功能及其相互的关系；仿生设计合成特定组织的细胞外基质；揭示材料与软骨和皮

41、肤发生和形成相关的主要信号分子的相互作用、及对其识别及选择性吸附规律和机理；提出软组织诱导性材料的功能表面构建原理，及其对特定细胞粘附、分化和组成形成调控的机理。研制出2-3种原位诱导软骨和皮肤的材料，达到临床试验水平。发表SCI收录的论文60篇以上，申请国家发明专利5项以上。争取12项软组织修复材料的国家食品药品监督管理局(SFDA)生产许可证。承担单位:浙江大学、华南理工大学课题负责人:高长有(教授、博导、国家杰出青年基金获得者)、王迎军(教授、博导)经费比例：13%3 .装载基因材料的分子设计及组织诱导作用和机理本课题研究装载功能基因的组织诱导材料，及基因转染、组织诱导和病变组织清除的机

42、理。主要研究内容：(1)原位诱导组织生长的高分子基因载体材料的分子设计、装配原理和制备方法；分子结构、组成等对DNA组装的影响和作用。(2)体外细胞对材料/DNA复合物的摄取，复合物在细胞内的运动及转染细胞的机理；材料结构与转染效率的关系。(3)材料/DNA复合物在动物体内的基因表达；材料多功能组分对基因表达的影响及其靶向机理。(4)材料/DNA复合物在体内诱导组织形成和生长、治疗或清除病变组织的规律、影响因素及作用机制。(5)生物安全性及临床应用前景评价。目标:设计合成可装载功能基因的、具有原位诱导特定组织生长的材料，阐明材料组分、结构对基因表达的影响规律和机理，以及诱导组织形成的机理。完成

43、1-2种用于微创伤治疗的原位诱导组织形成和生长及装载基因的生物材料的设计和制备及临床前研究。发表SCI收录论文约100篇，其中部分论文发表在本领域国际顶尖杂志，并申请专利10项左右。承担单位:四川大学、武汉大学课题负责人:顾忠伟(教授、博导)、卓仁禧(院士)经费比例:30%4 .诱导抗凝血生物化表面的设计和构建本课题研究抗凝血材料表面的分子设计原理和改性机理，以赋予其诱导抗凝血生物化表面形成的生物功能。主要研究内容：(1)材料表面结构、微结构及物化性质等材料学因素对血浆蛋白在材料表面吸附的热力学、动力学、蛋白质的重要功能位点的影响规律，材料学性质对血液凝血系统的启动和抑制的分子机制。(2)心血

44、管材料的微结构设计与制备。研究材料的化学结构、微一纳米图形、表面微环境等与内皮细胞的相互作用，及对内皮细胞黏附、形态、分化与增殖及生物功能等的影响和规律。(3)材料表面生物大分子固定及细胞外基质的修饰，及其对改善材料与内皮细胞亲和性的作用。(4)体内材料表面内皮化形成的过程、影响因素、规律和机制。(5)心血管材料生物功能化表面的抗凝血、生物安全性评价和体内应用研究。目标:提出心血管材料表面生物功能化修饰的理论和方法，系统阐明材料结构、组成、表面/界面特性、物化性质等材料学因素与血液生物分子及内皮细胞相互作用的机制，发展对蛋白吸附和构象变化具有特异性调控作用，并具有优异的抗凝血性能材料表面/界面

45、，形成具有更普遍意义的材料表面抗凝血基本理论，在解决心血管材料长期抗凝血的基础科学问题上获得突破性进展。研究和开发出具有优异抗凝血效果的1-2种心血管植入材料，如小口径人工血管或血管支架，并进入临床试验。获得国家或国际授权发明专利2-3项，发表SCI收录的学术论文60篇以上，争取获得国家或省部级奖励1-2项。承担单位:南开大学、西南交通大学课题负责人:孔德领(教授、博导)、黄楠(教授、博导)经费比例:12%5 .自组装生物材料及其诱导组织生长的机理本课题基于组织诱导性材料和自然组织组成、结构与生物功能的关系研究，建立组织诱导材料分子设计及装配原理。主要研究内容：(1)神经等组织的细胞外基质材料

46、的分层结构分子设计，自组装过程及机理，及自组装结构的关系。(2)材料与细胞的相互作用及特异性识别，微观链接和过程及与组织修复相关的细胞激活及机制。(3)材料的组织诱导功能与其组成、结构、表面超微结构和构型关系研究结果的综合分析，以及优化材料组织诱导性的表面设计和装配。(4)材料在体内超微结构，特别是纳米特征的变化，降解、降解产物及其对材料组织诱导性的影响。(5)自组装生物材料与组织的界面反应、组织生长和组织功能修复过程，以及诱导组织生长的机理。目标:阐明材料与神经和肝细胞等的相互作用、微观链接、特异性识别的机理；建立神经和肝组织等诱导材料的分子设计和装配原理，以及单细胞/材料相互作用的膜电位检

47、测方法；自组装制备出诱导神经和肝组织修复的生物材料；建立其生物安全性评价标准和方法；完成临床前试验及临床试验，神经修复材料取得国家SFDA生产许可证。在国际学术刊物发表高水平SCI收录学术论文100篇以上，获国家发明专利5项以上。由相单化：清华大学，武汉理工大学课题负责人:崔福斋(教授、博导)、李世普(教授、博导)经费比例：13%6 .天然丝素蛋白基材料及其组织诱导功能的构建本课题研究具有多种潜在应用价值的、我国资源丰富的天然丝素蛋白基材料，构建其组织诱导功能。主要研究内容：(1)探索能诱导干细胞在蚕丝丝素蛋白基材料表面向特定组织细胞(例如：成纤维细胞、成骨细胞)分化的方法。(2)蚕丝丝素蛋白

48、基材料表面与细胞间的相互作用，细胞在材料表面的粘附及生长特性。(3)通过对蚕丝丝素蛋白基材料的多孔模板设计和物理、化学、生物表面设计及制备，研究能诱导毛细血管长入孔隙从而具备血管化活性的材料及其机制。(4)结合血管化活性的研究，构建能诱导细胞生长、增殖，形成具有良好形态、结构及功能的皮肤等软组织修复材料。(5)通过对蚕丝丝素蛋白基材料表面的生物改性和化学改性以及其协同作用研究，构建具有抗凝血性表面的材料，研究其抗凝血机制。(6)研究蚕丝丝素蛋白基材料或降解产物的免疫原性、机体对蚕丝丝素蛋白基材料的免疫应答机制，并通过对蚕丝丝素蛋白基材料本体及表面的处理，研究具有低免疫原性、又能使机体免疫系统适

49、度活化的丝素蛋白基生物医用材料。目标:阐明蚕丝丝素蛋白基材料与细胞、机体在分子生物学水平上的相互作用原理和机制，以及蚕丝丝素蛋白基材料的免疫学效应；为实现预期的组织修复目标，建立和完善相应的生物材料设计及制备体系，获得优良组织诱导功能性的蚕丝丝素蛋白基材料的设计技术；在分子水平上构建具有特异功能表面，并可主动、选择性地与目标细胞发生特异性相互作用，从而能诱导细胞的生长和分化及组织再生，在组织修复或重建过程中调整降解性能与预期的要求相匹配。获得2种以上具有应用价值的蚕丝丝素蛋白基软组织修复材料和抗凝血材料。预期发表SCI或EI收录的学术论文80篇以上，申请发明专利5项左右。承担单位:苏州大学、北

50、京理工大学课题负责人:白伦（教授、博导）经费比例:10%（四）各课题间的相互关系，以及与项目总体目标和五年目标的关系根据预期目标，本项目研究重点和核心是赋予材料诱导组织再生的生物功能，为发展具有诱导组织再生生物功能的生物医用材料和制品奠定基础；关键科学问题是在细胞和分子水平上深入认识材料的组织诱导性与其组成和结构及环境的关系，特别是材料表面/界面与体内蛋白、细胞间的相互作用的规律，以及组织形成环境对基因表达和细胞分化的影响。由于不同人体组织具有不同的生物功能，不同材料与不同组织的细胞和特征蛋白间的相互作用及组织的形成既有共性又有个性，赋予材料组织诱导性也有多种途径。因此，对于材料组织诱导性与其

51、组成、结构关系的认识，只有通过不同途径形成的不同材料与特定功能组织间的相互作用的不同侧面进行深入研究，才可能总结出共性的规律，解决本项目的关键科学问题，达到预期目标。为此，本项目设置6个课题展开研究：（1）生物材料组织诱导作用的诱发及机理；（2）原位诱导组织再生材料及其功能界面；（3）装载基因材料的分子设计及组织诱导作用和机理；（4）诱导抗凝血生物化表面的设计和构建；（5）自组装生物材料及其诱导组织生长的机理；（6）天然丝素蛋白基材料及其组织诱导功能的构建。其中1#课题是通过材料自身的优化设计而不外加生长因子或活体细胞，赋予材料诱导硬组织，特别是非骨组织再生的生物功能研究；2#课题是通过设计和构建功能界面，赋予材料原位诱导形成的生物功能；3#课题是通过材料装载功能基因，利用基因转染和表达实现原位诱导组织形成，并对病变组织或器官实施基因VB疗；4#课题是通过材料表面分子设计和改性，赋予材料诱导抗凝血生物化表面形成的生物功能；5#课题是通过材料的组织诱导性与其结构关系研究的结果，分子设计和装配软组织诱导生物材料；6#课题是针对具有很大的潜在应用价值的、生物相容性优异的、我国资源丰富的天然