1、项目名称： 生物医用材料组织诱导作用的分子机制与设计原理首席科学家： 顾忠伟 四川大学起止年限： 2011.1至 2015.8依托部门： 教育部 四川省科技厅二、预期目标总体目标：立足本世纪生物医用材料科学与工程发展的方向和前沿设计和制造有生命的人体组织和器官，建立生物材料 组织诱导作用研究的模型和方法，确证无生命的生物医用材料通过自身 优化设计可以诱导各种有生命的人体组织和器官形成，揭示材料组织诱导作用的分子机制，建立组织诱导性生物医用材料的设计原理和制造方法学，形成较为 完整生物医用材料组织诱导作用理论体系，开拓生物医用材料科学与工程发展的新方向， 为跨越式地建立和发展具有战略意义和国际先
2、进水平的我国高技术生物医用材料新 产业，推进常规产业的技术改造，力争 15-20 年内 彻底改变我国高技 术生物医用材料主要依靠 进口的局面，满足全民医疗保健的基本需求并批量出口，提供原创性的科学基础。同时，培养一批国 际著名的生物医用材料科学与工程的领军人才，以及世界先进水平的中、青年学术骨干，为 我国生物医用材料科学与 产业的持续发展，成为世界的大国和强国奠定人才基础；巩固和发展承担本 项目的“国家生物医学材料工程技术研究中心” 等五个国家级研发机构，以及七个教育部重点 实验室和两个省级研发机构，为我国生物医用材料研发基地的建设做出 贡献。生物医用材料组织诱导作用分子机制的研究，建基于分子
3、水平上对材料和组织相互作用的深入认识，其主要基 础是人类对于自身组织和器官与其功能关系的深入了解，但迄今为止这 一 认识还不十分清楚，还 需要一个长期的过程。因此，本项目总体目标的核心在分子水平上建立完整的生物材料组织诱导性理论体系，也是一个长期的不断完善的 过程。但是，随着科学技 术的进展，总体目标的实现会逐步趋近，在此过程中任何重大突破将会导致生物材料科学的重大变化并将对产业产生效应。例如，材料骨诱导作用及其理论雏形的形成， 导致了“划时代的用于再生医学的骨诱导生物材料的到来”，并已应用于临床。五年预期目标：（1）在医用高分子、陶瓷、金属三大类材料对软骨、神经、血管内膜及心肌等组织再生诱导
4、作用研究的基础 上，建立生物材料 组织诱导性理论框架，包括一般性通用原理及骨、软骨、神经、血管内膜及心肌等 组织诱导 性材料的设计原理： 建立研究材料组织诱导性作用分子机制的模型、方法和生物安全性评价模型； 较全面地揭示与组织诱导形成相关的材料组成、结构及特性； 初步认识材料特性转导为细胞内分子信号、 调控干 细胞定向分化和细胞行为的途径及其转导机制； 初步认识材料表面/界面和三 维微结构和特性与细胞定向分化及行为的定性定量关系； 提出诱导干细胞定向分化的材料表面/界面和三维微环境构建原理及方法学； 探索评价材料组织诱导作用生物安全性和可靠性的分子标记、模型和方法； 建立材料诱导组织再生作用的
5、计算机模拟模型并初步进行综合性理论分析。（2）研发出诱导软骨、神经、血管内膜、心肌等组织 再生的组织诱导性生物材料，力争 23 种产品 SFDA 取证或进入临床试验， 优化骨 诱导材料的骨诱导性。（3）培养 58 名国际著名的生物医用材料科学与工程领军人才，一批世界先进水平的多学科交叉中、青年学术骨干。（4）形成国际、国内的组织诱导性生物材料研究的科技创新公用平台。（5）作为基础研究成果的反映，本项目将发表 400 余篇 SCI 源刊学术论文，在国际高影响因子期刊上发表系列化研究 论文：申报国家发明专利 3035 项，其中 80%以上 获授权；申请国 际发明专利 510 项；争取 获国家三大奖
6、 23 项。三、研究方案学术思路：基于天然组织形成的分析，生物医用材料骨诱导作用的研究，以及现有的各种物理、化学、几何等因素对细胞行为及基因表达影响研究的报导，生物医用材料诱导组织形成的过程可初步概括如下：一定组成、结构的材料植入体内后，其表面首先在生理环境中发生生物化学反应，形成特异性的表面/ 界面，并由其参与形成可容 纳细 胞的三维微环境。表面/界面及微环境的组成、结构等取决于材料本体及表面的组成、结构及植入后所处的生物环境（动物种系、个体差异、植入部位等）。具有特定组成、结构及几何特征的表面/界面及三维微环境将表现出一定的物理、化学、生物力学等特性。这些特性或材料学信号首先作用于体内不同
7、的蛋白分子，引起一定的蛋白分子构型变化并暴露出活性位点，从而选择性地被吸附于材料的表面/界面。被吸附于表面/界面上的蛋白分子构型受材料表面特性的影响将进 一步变化，显露特异性的活性位点并与体内干细胞的细胞膜上一定的受体结合，使干细胞黏附于材料表面。被集聚和黏附于材料表面/界面及微环境中的体内干 细胞由于材料学信号的作用，其增殖、生长、迁移、形态等细胞行为将被调控；同 时材料学信号亦可被转导为细胞内特定的分子信号，并在空间和时间上被程序化表达，从而调控细胞沿特定组织细胞系分化，最终形成特定的组织。材料学信号向细胞的转导，可能通 过材料信号对细胞直接作用，也可能通过材料学信号与自然组织自身的生物学
8、信号相互作用后转导。根据上述分析，为了认识生物医用材料组织诱导作用的分子机制并建立其设计原理，必须研究和了解：（1）材料的什么性质或因素可以影响和调控细胞的什么行为和特异性基因表达及其作用机理；（2）材料特性是多样的，体内的生物分子及生物学信号也有多种，他们彼此将相互作用，因此，必须了解这些信号间的相互作用及关系， 调控干细胞向特定组织方向分化的主要信号是什么，他们的分子本质及转导为细胞内分子信号的通道；（3）材料诱导干细胞定向分化是通过材料对细胞内基因有序或程序化激活而进行的，材料学信号如何调 控 细胞内基因程序化表达，与材料性质及组成、 结构的关系如何；（4）材料表面/界面与体内蛋白的相互
9、作用及选择性吸附，对细胞黏附、定向分化及行为有决定性影响。 这 种相互作用发生于分子水平，必须了解影响干细胞定向分化的材料表面/界面的微/纳米结构、分子构型、生物力学性质等及其与蛋白选择性吸附及细胞行为的定性、定量关系；（5）组织形成一般发生于三维空间，细胞通常处于三维微环境中，在材料表面/界面认识的基础上，必须 了解影响细胞行为和基因表达的 细胞所处三维微环境的特征及其与细胞行为和基因表达的定性、定量关系；（6）材料在组织再生及重建中通常是一种临时性的支架，将随组织再生被生物降解，必须了解材料的生物降解及降解 产物对组织形成的影响和机制；（7）在对材料组成、结构及理、化等性质与细胞行为及基因
10、表达的定性、定量关系研究基础上，必须建立 诱导 特定组织形成的材料表面/界面及三维微结构设计原理及构建方法和工艺技术 ；（8）材料组织诱导作用的长期生物安全性及可靠性，探索其分子标记。生物医用材料是多种多样的，不同材料表现出的特性不尽相同，不同生物组织形成的条件亦不相同。本 项 目将以医用高分子、陶瓷及金属三大基础生物医用材料为对象，以材料对软骨、神经、血管内膜及心肌等 组织 的诱导作用为范例展开研究，并在此基础上综合研究 结果， 结合计算机模 拟及理论分析，形成 组织诱导性生物医用材料的理论雏形。材料对蛋白分子的吸附不是单一的，而是多种类的；对细胞内基因的激活也不是单一的，而是多个的，只是基
11、因表达的时、空随 组织 形成过程有所不同。材料对蛋白选择性吸附及基因激活和 调控均发生于分子水平，不仅与材料宏观、微观形态及特性相关，更与材料表面/界面及三维微结 构的微 /纳米结构、分子组成和构型等直接相关，本项目研究将充分利用 纳米科学和技术、基因组学、蛋白 组学、分子影像的研究成果和实验 方法。基于上述思路，本项目研究的技术途径如下：技术途径：本项目是在“ 十.五” 、“十一 .五” 连续两个“973”项目关于组织诱导性生物医用材料研究基础上的深化和发展，技 术途径的制定必须在总体学术思路指导下，充分利用前期研究成果。前期研究的主要进展是：确证了 Ca-P 生物材料（主要为陶瓷）可以诱导
12、骨形成，定性地提出了初步机理解 释；发现了胶原基水凝胶可诱导软骨形成，机理研究仅刚起步； 发现透明质酸接枝抗体后可诱导神经元形成，但神经、特 别是中枢神经的诱导还 待进一步研究；发现表面离子束改性的金属钛经进一步改性后有可能诱导抗凝血及抑制 组织增生的类血管内膜组织形成，但仅表现出苗头；发现非病毒的基因控 释载体可程序化地转导基因表达等。根据上述情况和本期“ 973”申报指南要求，本 项目技术途径方框图 如下所示。本项目着重研究生物医用材料组织诱导作用的分子机制，因此选择前期研究已、或可能具有组织诱导作用的高分子、陶瓷、金属材料 经优化后作为试样，分别研究试样的物理（结构、表面及表面微 结构，
13、植入体晶粒尺度、力学、电学性质等）、化学（化学组成，分子构型，功能 团， 亲、疏水性，溶胀、降解等）、生物力学特征（试样宏观及微观应力分布，液流等）及几何特性（形态、表面形貌及微图案、孔隙形态等）对细胞行为及细 胞内基因表达的影响及相互关系；再深入研究材料学信号转导至细胞，以及激活 细胞基因程序化表达的机制，包括材料学信号对机体内本征生物信号的影响；然后分析各种材料学信号的相互作用及诱导特定组织形成的主要信号；在上述基础 上建立构建特定组织形成的表面/界面及细胞三维微环境的设计原理；进一步通 过计算机模拟及理论分析总结材料诱导组织形成的分子机制，以及组织诱导性生物医用材料的分子 设计原理，形成
14、较为系统和全面的生物医用材料组织诱导性理 论，包括一般性通用理 论和原理，以及针对不同材料和组织的次级论述和原理，同 时反馈研究结果进一步优化材料设计，开发几种新一代生物医用材料组织诱导性生物医用材料，并评价其长期生物安全性及可靠性。与国内外同类研究相比的创新点与特色：虽然生物医用材料组织诱导作用已在国内外广泛研究并已成为生物材料科学的研究热点，但是迄今为 止，对其机理的研究，仅 限于 对某种材料的某个单一因素，如弹性模量、表面电性、接枝某种功能基 团等 对干 细胞行为及基因表达影响的定性研究，除本项目组 系 统地报导了 Ca-P 生物材料的骨诱导作用研究结果，并提出材料可激活和调控干细 胞成
15、骨基因级联表达外，还没有发现材料诱导某种组织形成及其机理的系统和 综合性报导。同时，除本项目组外，尚无材料 诱导软骨形成，以及材料可诱导 神 经、内膜 组织形成的报导。 虽然国际上也继本项目组之后证明了生物玻璃陶瓷和表面活化的多孔钛可诱导骨形成，但迄今仅本项目组研究的 Ca-P 骨诱导人工骨取 证并投入临床推广应用，虽然其骨诱导性尚需进一步优化。 这些情况表明，目前本项目组对生物医用材料组织诱导作用的研究仍暂居国际领先水平。本项目研究的创新点和特色在于：（1）本项目研究是对生物医用材料科学与再生医学的传统观念：无生命的材料不可能诱导组织形成的挑战 ，在突破通 过材料自身优化设计可以诱导骨形成的基础上，将挑战性地证明无生命的材料也可以 诱导其他非骨组织形成，即仅通过材料自身即可实现被损坏的 组织再生和重建。其 结果将导致生物材料科学和再生医学革命性的变化，并 为 患者节约治疗费用， 带 来福音。（2）本项目将较全面和系统地揭示生物材料组织诱导作用的分子机理，建立涉及硬、软组织的较为全面的 组织诱导性生物医用材料的基本设计原理，力争抓住暂居国际领先的机遇，率先建立 较完整的生物材料组织诱导作用理论雏形，为
