【正文】 信號分子的材料功能表面 /界面及支架構(gòu)建技術(shù)和調(diào)控方法；原位組織誘導(dǎo)材料的宏觀塑型和微觀結(jié)構(gòu) 控制技術(shù)和方法；微創(chuàng)傷原位組織誘導(dǎo)材料的構(gòu)建方法和技術(shù)；誘導(dǎo)組織再生生物材料的自組裝原理、技術(shù)和方法。 通過本項(xiàng)目實(shí)施，可為推進(jìn)我國生物材料科學(xué)基礎(chǔ)理論研究達(dá)到國際先進(jìn)水平，創(chuàng)新性地開發(fā)一系列具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型生物醫(yī)用材料，立足國際前沿形成和跨越式地持續(xù)發(fā)展我國現(xiàn)代生物材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)，初步奠定科學(xué)基礎(chǔ)，而且可對推動我國社會、經(jīng)濟(jì)急待發(fā)展的這一領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)。 通過本項(xiàng)目的實(shí)施，將進(jìn)一步凝聚國內(nèi)從事生物材料領(lǐng)域的主要研究力量，培養(yǎng)和形成一支多學(xué)科交叉、老中青結(jié)合、以時(shí)俱進(jìn)、 開拓創(chuàng)新、思想活躍、緊密團(tuán)結(jié)的生物材料研究、開發(fā)和臨床應(yīng)用隊(duì)伍，以及一批具有國際影響力學(xué)科帶頭人，特別是中青年學(xué)科帶頭人和創(chuàng)新型學(xué)術(shù)骨干。從而為我國現(xiàn)代生物材料科學(xué)與工程構(gòu)架的形成及其持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重大的作用和深遠(yuǎn)的影響。 2. 研究開發(fā)出軟骨、皮膚、血管等組織誘導(dǎo)性材料和制品，抗凝血生物化表面血管支架、組織誘導(dǎo)涂層材料及微創(chuàng)傷原位成型組織誘導(dǎo)材料，并提供 4種左右組織誘導(dǎo)性生物醫(yī)用材料和制備技術(shù)供中試和臨床試驗(yàn) ,對覆蓋生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè) 80%以上的矯形和整形外科材料、心血管系統(tǒng)修復(fù)材料等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展產(chǎn)生直接效應(yīng)。 4. 基本建成國際互認(rèn)的生物醫(yī)用材料和制品檢驗(yàn)評價(jià)及其科學(xué)研究的公用平臺。 三、研究方案 （一）總體研究思路、技術(shù)路線及可行性 總體研究思路 組織誘導(dǎo)性生物醫(yī)用材料（ Tissue Inducing Biomaterials），是指具有誘導(dǎo)組織再生的生物功能的生物醫(yī)用材料，如誘導(dǎo)骨、皮膚、血管、血管內(nèi)膜、神經(jīng)等再生的材料。（ 2）存在誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞向特定組織細(xì)胞分化的生物化學(xué)信號或信號分子 。因此，通常認(rèn)為無生命的生物材料之所以不可能誘導(dǎo)組織形成，關(guān)鍵是不具有誘導(dǎo)組織形成的生物化學(xué)信號分子等。 對此，關(guān)鍵是要求一個對特定生長因子和活體細(xì)胞具有親和性并可保持其活力的功能表面，以及適合于特定細(xì)胞分化、增殖，并確保特定組織得以形成的環(huán)境，特別是微環(huán)境。十分明顯，設(shè)計(jì)裝載信號分子的功能表面， 原位誘導(dǎo)組織形成，可避免模擬體內(nèi)環(huán)境體外培養(yǎng)細(xì)胞的既復(fù)雜又耗時(shí)的技術(shù)，已得到極大的關(guān)注。其關(guān)鍵是對特定蛋白和細(xì)胞具有選擇性吸附 /粘附作用的材料表面 /界面組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及適合于特定組織形成的并可調(diào)控細(xì)胞基因表達(dá)和分化途徑的組織生長環(huán)境設(shè)計(jì)。顯然，對表面 /界面與蛋白和細(xì)胞相互作用及其特異性識別及吸附 /粘附規(guī)律，以及微環(huán)境對細(xì)胞分化和組織形成影響的深入了解，是發(fā)展此類組織誘導(dǎo)性材料的關(guān)鍵。 生物醫(yī)用材料對組織形成的誘導(dǎo)作用，決定于材料對蛋白和細(xì)胞行為的調(diào)控。其基礎(chǔ)仍是了解 材料表面 /界面及其對基因活性和細(xì)胞行為的影響和規(guī)律。此外，還可發(fā)展出適于微創(chuàng)傷治療原位構(gòu)建的組織誘導(dǎo)性支架材料。 由此看出，無論通過什么途徑賦予材料誘導(dǎo)組織形成的生物功能，需解決的關(guān)鍵問題是共同的，即：材料表面 /界面及其特征與蛋白、細(xì)胞相互作用、特異性識別和吸附 /粘附的規(guī)律和機(jī)理；微環(huán)境對基因表達(dá)、細(xì)胞分化途徑的調(diào)控及規(guī)律和機(jī)理。為此，項(xiàng)目以通過材料自身優(yōu)化設(shè)計(jì)和裝載功能基因，以及裝載信號分子形成功能表面，賦予材料誘導(dǎo)組織形成的作用為重點(diǎn)；自身優(yōu)化設(shè)計(jì)和裝載功能基因?yàn)樘厣辉谏罨捌凇?973”材料骨誘導(dǎo)作用研究基礎(chǔ)上，以材料對軟骨、皮膚、抗凝血生物化膜、神經(jīng)等軟組織的誘導(dǎo)作用為對象展開；以從不同途徑對不同組織的誘導(dǎo)作用的側(cè)面展開研究，綜合匯總解決上述共性關(guān)鍵問題，從而在分子水平上較為完整地揭示材料的組織誘導(dǎo)作用的規(guī)律和機(jī)理，形成完整的生物材料組織誘導(dǎo)理論，并對覆蓋生物相容性產(chǎn)業(yè) 80%以上的矯形及整形外科 材料、心血管系統(tǒng)修復(fù)材料等我國高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展提供科學(xué)基礎(chǔ)，產(chǎn)生直接效應(yīng)?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，進(jìn)一步研究材料生物功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，設(shè)計(jì)和制造出具有組織誘導(dǎo)性的典型材料是本項(xiàng)目實(shí)施成效的重要標(biāo)志。同時(shí)，材料的降解還涉及到被吸附的生長因子釋放而激活。 表征材料的組織誘導(dǎo)作用，特別是非骨組織的誘導(dǎo)作用，必須建立合適的體外和體內(nèi)模型，同時(shí)，組織誘導(dǎo)作用的生物安全性是其應(yīng)用的首要問題。 膠原蛋白是機(jī)體組織的主要有機(jī)質(zhì)，特別是軟組織。故本項(xiàng)目將其列為研究內(nèi)容，擬應(yīng)用項(xiàng)目研究的基本原理，充分利用絲素蛋白 基材料的特點(diǎn)，構(gòu)建誘導(dǎo)組織形成的生物功能。 技術(shù)途徑 技術(shù)途徑方框圖如下： 1．表面 /界面 —— 蛋白、細(xì)胞及相互作用 （ 1）材料表面 /界面特征，特別是微結(jié)構(gòu)特征的表征。選擇單一蛋白和多種蛋白吸附模式，體外實(shí)驗(yàn)與體內(nèi)模型相結(jié)合，探索材料特征對吸附蛋白種類和蛋白吸附量的影響。通過表面分析手段和結(jié)構(gòu)化學(xué)計(jì)算，結(jié)合蛋白分子數(shù)據(jù)庫信息，研究材料表面特征與吸附蛋白種類的關(guān)系。通過體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究細(xì)胞在不同特征的材料表面 /界面的粘附和分化行為，通過細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞分化的特征蛋白和基因表達(dá)的分析，闡明材料表面特征及其吸附蛋白對細(xì)胞粘附和分化的影響。 （ 6）根據(jù)吸附蛋白分子和細(xì)胞粘附、分化的分析結(jié)果，探索 有利于特定組織形成的蛋白質(zhì)分子選擇性吸附和沿特定組織形成的細(xì)胞粘附和分化的材料表自然組織分子圖像計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 材料制備 信號分子及基因裝配 表面改性 前期“ 973”研究結(jié)果 體外蛋白吸附（定性、半定量、吸附譜） 試驗(yàn)?zāi)Ｐ? 材料表征 吸附機(jī)理及規(guī)律 細(xì)胞選擇性粘附、分化 體外細(xì)胞培養(yǎng) 植入試驗(yàn) 體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正、驗(yàn)證 生物學(xué)性能評價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)制定 評價(jià)分子標(biāo)記探 索 臨床試驗(yàn)探索 體內(nèi)蛋白吸附 （擴(kuò)散盒，定性、 半定量） 吸附規(guī)律和機(jī)理修正、驗(yàn)證 面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，反饋信息指導(dǎo)材料表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)建。 （ 1）建立特定組織誘導(dǎo)性研究的動物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停貏e是能夠評價(jià)材料對特定組織誘導(dǎo)作用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如材料植入部位、植入方式、特定組織形成的表征等。 （ 3）植入體的力學(xué)性能，特 別是幾何形態(tài)、孔隙、表面構(gòu)型和微結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)性能的表征和分析。 （ 5）植入部位生理微環(huán)境的分析和表征，包括生理環(huán)境信號分子表達(dá)水平，細(xì)胞，特別是間充質(zhì)細(xì)胞種類，特定細(xì)胞基因表達(dá)水平分析。 （ 7）環(huán)境，特別是微環(huán)境參量調(diào)控，研究環(huán)境特征調(diào)控對細(xì)胞分化途徑及其基因 表達(dá)的影響，闡明誘導(dǎo)特定組織形成的微環(huán)境特征與材料特征（包括攜帶控釋基因的關(guān)系），對細(xì)胞分化途徑及基因表達(dá)的影響和規(guī)律。 材料表面 /界面表征 特異性蛋白質(zhì)層的形成及其構(gòu)型和特征 蛋白層對細(xì)胞的選擇性粘附 細(xì)胞沿特定組織形成途徑分化 體內(nèi)主要組織誘導(dǎo)分子及其構(gòu)型 3．結(jié)構(gòu) —— 組織誘導(dǎo)關(guān)系及材料裝配 （ 1）根據(jù) 2 研究結(jié)果提出賦予材料誘導(dǎo)特定組織形成的材料表面 /界面特征及用于特定組織修復(fù)的材料本體結(jié)構(gòu)及其降解特性的要求。 （ 3）優(yōu)化材料制備方法，如 基于生物分子調(diào)控的材料自組裝、特定結(jié)構(gòu)材料的分子設(shè)計(jì)、原位構(gòu)建、表面 /界面改性、材料分層設(shè)計(jì)和構(gòu)建、靶向功能基因的裝載與控釋等，根據(jù)組織修復(fù)與組織誘導(dǎo)能力優(yōu)化原則，構(gòu)建具有一定表面和本體特征的植入體，體內(nèi)外試驗(yàn)評價(jià)組織誘導(dǎo)能力及生物功能性?；谏飳W(xué)和醫(yī)學(xué)研究結(jié)果，根據(jù)特定組織形成特征及生理環(huán)境分析，選擇恰當(dāng)?shù)膭游锓N類、植入部位、手術(shù)模型，探索表征材料組織誘導(dǎo)作用的標(biāo)記或參量。考察具有不同結(jié)構(gòu)特征的材料在特定細(xì)胞培養(yǎng)過程中對細(xì)胞形態(tài)、分化、特征蛋白和基因表達(dá)水平和時(shí)序的影響，探索材料組織誘導(dǎo)性評價(jià)的體外分子標(biāo)記?？疾炀哂胁煌Y(jié)構(gòu)特征的材料體內(nèi)組織誘導(dǎo)過程中信號分子和表征細(xì)胞分化功能的基因表達(dá)水平和時(shí)序，結(jié)合細(xì)胞、組織形態(tài)學(xué)分析，及體外試驗(yàn)結(jié)果，探索評價(jià)材料組織誘導(dǎo)作用和生物安全性的分子標(biāo)記。在基于ISO10993 系列的植入體生物安全性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合體內(nèi)外試 驗(yàn)過程的分子標(biāo)記及長期植入試驗(yàn)跟蹤，評價(jià)材料組織誘導(dǎo)作用的生物安全性；根據(jù)材料植入后組織發(fā)生及形成時(shí)限、生物力學(xué)性能及相關(guān)生物功能評價(jià)其臨床應(yīng)用前景，并以臨床試驗(yàn)及術(shù)后跟蹤作為驗(yàn)證。 可行性分析 1．本項(xiàng)目是在前期“ 973”生物醫(yī)用材料項(xiàng)目實(shí)施基礎(chǔ)上提出，已有前 期研究成果作為基礎(chǔ)： （ 1）提出并建立了生物材料骨誘導(dǎo)理論，以及一整套在細(xì)胞和分子水平上的研究方法和模型； （ 2）已發(fā)現(xiàn)材料誘導(dǎo)軟骨形成； （ 3）提出“維持血液凝血系統(tǒng)核心蛋白構(gòu)象不變”的材料抗凝血假說，研究出一系列高分子兩性離子和鈦金屬 TiO 膜抗凝血改性表面； （ 4）合成和裝配出一系列高分子基因控釋載體材料，并具有接近于當(dāng)前世界上最高的基因轉(zhuǎn)染率； （ 5）基于高分子材料的分子識別，研制出特異性血液免疫吸附材料； （ 6）自組裝獲得仿骨結(jié)構(gòu)； （ 7）研制出新一代骨誘導(dǎo)人工骨及仿骨人工骨取證上市。 （ 2） 2020 年第七次世界生物材料大會，第一次作為專題出現(xiàn)的“組織誘導(dǎo)性生物醫(yī)用材料”吸引了來自世界各地的 100 多篇論文，會場數(shù)也從最初的一個增加到 4 個。 3．通過前期“ 973”項(xiàng)目實(shí)施，已形成一支以中、青年為骨干的高水平的具有創(chuàng)新性的研究團(tuán) 隊(duì)，并有一批國家工程研究中心、國家和部省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及國家認(rèn)證的生物醫(yī)用材料檢驗(yàn)評價(jià)中心支撐。體外培養(yǎng)活體細(xì)胞的主要問題涉及模擬體內(nèi)環(huán)境培養(yǎng)活體細(xì)胞的復(fù)雜技術(shù)，時(shí)限性、免疫性、運(yùn)輸、儲存等問題。 本項(xiàng)目創(chuàng)新性地以通過材料自身優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不是外加生長因子或活體細(xì)胞，以及裝載功能基因，通過基因轉(zhuǎn)染調(diào)控細(xì)胞行為而賦予材料誘導(dǎo)組織形成的生物功能為特色；并以此特色和裝配信號分子構(gòu)建功能表面賦予材料組