項(xiàng)目名稱：    Ca-P生物材料的骨誘導(dǎo)性及其機(jī)理研究

推薦單位：    四川省

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：    基于項(xiàng)目組1990年的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):一定的無(wú)機(jī)磷酸鈣陶瓷可以誘導(dǎo)骨形成。一般認(rèn)為，無(wú)生物活性物質(zhì)的生物材料不可能誘導(dǎo)組織再生，通常是在材料中外加生長(zhǎng)因子或體外培養(yǎng)細(xì)胞，賦予材料這種功能。本項(xiàng)目將不同Ca-P材料植入不同種系動(dòng)物非骨位置，通過(guò)成骨過(guò)程的組織形態(tài)學(xué)研究和統(tǒng)計(jì)分析，特征蛋白和基因表達(dá)，以及新骨的組成和結(jié)構(gòu)分析，確證了這一發(fā)現(xiàn)，并證明Ca-P陶瓷誘導(dǎo)成骨屬正常的膜內(nèi)成骨，與動(dòng)物種系和材料學(xué)因素相關(guān)；進(jìn)一步揭示:誘發(fā)材料（不僅是CaP材料）骨誘導(dǎo)作用的材料學(xué)因素是：一定的三維多孔和表面結(jié)構(gòu)，以及材料表面類骨磷灰石層的形成，提出通過(guò)材料自身優(yōu)化設(shè)計(jì)賦予其骨誘導(dǎo)性的普適性原理；通過(guò)細(xì)胞形態(tài)、以及結(jié)構(gòu)和功能的超結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)：骨發(fā)生必須的間充質(zhì)細(xì)胞，可來(lái)自長(zhǎng)入材料孔隙的纖維結(jié)締組織；成骨必須的骨誘導(dǎo)信號(hào)分子--骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMPs）可來(lái)自材料孔壁對(duì)體內(nèi)本征BMP的富集，以及刺激長(zhǎng)入孔隙的非骨細(xì)胞分泌，材料的骨誘導(dǎo)作用是貫穿整個(gè)成骨過(guò)程的多種骨生長(zhǎng)因子綜合作用的結(jié)果；提出了材料骨誘導(dǎo)機(jī)理假說(shuō)；評(píng)價(jià)了材料骨誘導(dǎo)作用的生物安全性和臨床應(yīng)用前景，證明骨誘導(dǎo)材料植入骨內(nèi)可誘導(dǎo)骨再生，并最終重建被損壞的骨，促進(jìn)骨早日康復(fù)。形成生物材料骨誘導(dǎo)理論雛型，整套研究模型和方法；首創(chuàng)骨誘導(dǎo)人工骨并用于臨床，獲SFDA市場(chǎng)準(zhǔn)入。

200余種國(guó)際刊著引用了發(fā)表的論文，SCI收錄論文100余篇并他引840余次，獲教育部一等獎(jiǎng)和總后二等獎(jiǎng)。目前的研究已擴(kuò)展到材料對(duì)其它組織的誘導(dǎo)性。以本項(xiàng)目為重要基礎(chǔ)，2005年科技部啟動(dòng)了973項(xiàng)目"組織誘導(dǎo)性生物醫(yī)用材料的基礎(chǔ)研究"，三次世界生物材料大會(huì)（2000、2004、2008年）及多個(gè)國(guó)際會(huì)議均列有專題討論；10余個(gè)國(guó)家學(xué)者跟蹤研究；973驗(yàn)收評(píng)價(jià)："我國(guó)生物材料科學(xué)的一項(xiàng)標(biāo)志性成果，屬國(guó)際領(lǐng)先"。國(guó)家多個(gè)科技計(jì)劃指南將骨誘導(dǎo)性列為骨修復(fù)材料的一個(gè)基本要求。為開(kāi)拓發(fā)展新一代生物材料新途徑奠定了基礎(chǔ)。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  1. 發(fā)現(xiàn)不含活性生物物質(zhì)的、無(wú)生命的多孔羥基磷灰石陶瓷，以及其它磷酸鈣陶瓷和Ca-P材料可誘導(dǎo)骨形成[1，11-14]。通過(guò)植入動(dòng)物非骨部位的陶瓷成骨過(guò)程中出現(xiàn)的細(xì)胞及細(xì)胞分化過(guò)程的組織形態(tài)學(xué)研究和統(tǒng)計(jì)分析[2，3，15]，基因和特征蛋白的表達(dá)及其mRNA半定量分析[4，5，16-18]，以及新骨的組成、結(jié)構(gòu)分析[19，20]，首次系統(tǒng)和較完整地確證了此發(fā)現(xiàn)，并證明材料誘導(dǎo)骨形成屬正常的膜內(nèi)成骨。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，其誘導(dǎo)成骨作用與材料學(xué)因素[6，12-14] 和動(dòng)物種系相關(guān) [7，21-23]。（對(duì)應(yīng)學(xué)科：4304010）

2. 發(fā)現(xiàn)并證明：磷酸鈣陶瓷誘導(dǎo)骨形成必須的骨誘導(dǎo)信號(hào)分子可來(lái)自于陶瓷孔壁對(duì)體內(nèi)內(nèi)源性骨誘導(dǎo)信號(hào)分子（如BMPs）的富集，以及刺激長(zhǎng)入孔隙的非骨細(xì)胞的分泌[4，24，25]，材料對(duì)體內(nèi)蛋白的吸附譜受其組成及結(jié)構(gòu)影響。通過(guò)新骨形成前細(xì)胞特異性染色，形態(tài)、結(jié)構(gòu)及功能的電子顯微鏡分析，發(fā)現(xiàn)陶瓷成骨必須的間充質(zhì)細(xì)胞來(lái)自機(jī)體長(zhǎng)入陶瓷孔隙的纖維結(jié)締組織[26，27]。（對(duì)應(yīng)學(xué)科：4304010）

3. 提出和證明了：誘發(fā)材料骨誘導(dǎo)作用的材料學(xué)因素是：適當(dāng)?shù)娜�維和表面多孔結(jié)構(gòu)[3，4，8，28，29]和表面類骨磷灰石層的形成[8，26，30-33]；發(fā)現(xiàn)此規(guī)律具有普遍性，即適用于即使是典型的生物惰性陶瓷和金屬材料[26，34-36]。（對(duì)應(yīng)學(xué)科：4304010）

4. 基于上述發(fā)現(xiàn)，從間充質(zhì)細(xì)胞和骨誘導(dǎo)信號(hào)分子來(lái)源，適于成骨的三維多孔結(jié)構(gòu)，提出生物材料骨誘導(dǎo)作用的機(jī)理假說(shuō)[6，9，26，37]，探索了陶瓷富集骨生長(zhǎng)因子的機(jī)理[4]。（對(duì)應(yīng)學(xué)科：4304010）

5. 首次系統(tǒng)證明生物材料骨誘導(dǎo)作用是生物安全的，可促進(jìn)新骨形成，加速骨康復(fù)，并隨著材料緩慢降解，最終可為新骨所替換[9，38-41]�；�于此點(diǎn)，提出"體內(nèi)骨組織工程"新途徑[10，42]，即利用骨誘導(dǎo)人工骨的骨誘導(dǎo)性，將材料先植入體內(nèi)非骨位置，體內(nèi)培養(yǎng)骨組織細(xì)胞，然后再移植到骨缺損部位，試驗(yàn)表明可加速骨康復(fù)，避免通常骨組織工程對(duì)體外培養(yǎng)骨組織細(xì)胞的苛刻要求。同時(shí)證明骨誘導(dǎo)磷酸鈣陶瓷是優(yōu)良的骨生長(zhǎng)因子載體[43]。發(fā)現(xiàn)特征蛋白表達(dá)的時(shí)序及水平有可能作為評(píng)價(jià)材料生物相容性的標(biāo)記[16，17，40]。（對(duì)應(yīng)學(xué)科：4304010）

6. 首創(chuàng)骨誘導(dǎo)人工骨，獲國(guó)家藥監(jiān)局生產(chǎn)注冊(cè)證，并首先將其用于臨床，療效顯著[44]。（對(duì)應(yīng)學(xué)科：4304010）

主要完成人：  1.   張興棟

973和國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目本課題負(fù)責(zé)人。本成果學(xué)術(shù)觀點(diǎn)提出人。負(fù)責(zé)本項(xiàng)目總體規(guī)劃、技術(shù)路線、研究方案制定并實(shí)施。

于國(guó)際同期獨(dú)立發(fā)現(xiàn)磷酸鈣陶瓷骨誘導(dǎo)現(xiàn)象；提出在細(xì)胞和分子水平上確證其骨誘導(dǎo)性，研究骨誘導(dǎo)作用的機(jī)理，探索誘發(fā)材料骨誘導(dǎo)作用的因素，以及評(píng)價(jià)生物相容性及臨床應(yīng)用潛力的技術(shù)路線和方案；指導(dǎo)研究和實(shí)驗(yàn)工作，匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提煉上升為學(xué)術(shù)觀點(diǎn)和理論；主持和組織兩次世界生物材料大會(huì)的專題研討會(huì)，提出組織誘導(dǎo)生物材料的概念；對(duì)項(xiàng)目完成和成果取得了決定性作用。投入項(xiàng)目工作量60%。

2.   袁惠品

系統(tǒng)地完成不同鈣磷和非鈣磷材料不同動(dòng)物種系的骨誘導(dǎo)過(guò)程中細(xì)胞分化的組織形態(tài)學(xué)研究；確證多孔Ca-P陶瓷可以富集本征骨形態(tài)發(fā)生蛋白達(dá)到骨誘導(dǎo)成骨的閾值，并為骨誘導(dǎo)作用所必須；實(shí)驗(yàn)證明骨誘導(dǎo)多孔磷酸鈣陶瓷是骨形態(tài)發(fā)生蛋白的優(yōu)良載體；實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)骨誘導(dǎo)作用能誘導(dǎo)骨再生，加速骨康復(fù)。發(fā)表論文20余篇 ，在重要國(guó)際會(huì)議上報(bào)告20余次，對(duì)項(xiàng)目完成起了關(guān)鍵作用，對(duì)研究成果能為國(guó)際接受起了重要作用，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)材料可誘導(dǎo)軟骨形成，對(duì)促進(jìn)擴(kuò)大材料骨誘導(dǎo)性研究到對(duì)其它組織誘導(dǎo)性研究起了重要作用。投入項(xiàng)目工作量80%。

3.   范紅松

利用體外和體內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)磷酸鈣陶瓷表面/界面及其形成、表征和行為的研究，探討了材料表面/界面形成、特征與材料自身材料學(xué)因素和生物學(xué)因素的關(guān)系；與材料生物學(xué)性能相關(guān)的表面/界面特征及其與材料骨誘導(dǎo)性的關(guān)系，為Ca-P生物陶瓷材料骨誘導(dǎo)性的機(jī)理研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。負(fù)責(zé)并共同完成骨誘導(dǎo)過(guò)程中材料學(xué)因素與骨相關(guān)細(xì)胞特征蛋白/基因表型表達(dá)的關(guān)系研究，提出材料通過(guò)影響成骨細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)影響其骨誘導(dǎo)性。負(fù)責(zé)骨誘導(dǎo)材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制備工藝研究，在理論研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制備第一批骨誘導(dǎo)材料及制品并取得國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局生產(chǎn)注冊(cè)證，取得良好效果。投入項(xiàng)目工作量80%。

4.   張聰

系統(tǒng)地完成了骨誘導(dǎo)人工骨臨床前的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)，提供了“體內(nèi)骨組織工程”的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，以完成的博士論文為題，獲中國(guó)人民解放軍總后醫(yī)療成果二等獎(jiǎng)。投入項(xiàng)目工作量80%。

5.   屈樹(shù)新

利用透射電鏡及X-光能量散射微探針，從細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能分析確證了可向骨組織細(xì)胞分化的間充質(zhì)細(xì)胞的存在，及其向骨母細(xì)胞、成骨細(xì)胞分化的相伴隨的膠原和磷酸鈣的分泌及骨基質(zhì)形成過(guò)程；對(duì)新生骨組織/磷酸鈣植入體界面的超微結(jié)構(gòu)分析，從骨組織的組成提供了磷酸鈣骨誘導(dǎo)的整句，證明了新生骨組織可通過(guò)磷酸鈣微晶的膠原纖維沉積形成；利用免疫組化方法，研究了磷酸鈣骨誘導(dǎo)過(guò)程中I型膠原及骨涎蛋白的表達(dá)；證明了骨誘導(dǎo)過(guò)程中生物化學(xué)信號(hào)分子之一來(lái)自材料刺激非骨細(xì)胞的分泌。投入項(xiàng)目工作量80%。

10篇代表性論文：  1.   A study of porous block HA ceramics and its osteogenesis / Bioceramics and the Human Body

2.   Osseous Substance Formation Induced in Porous Calcium-Phosphate Ceramics in Soft-Tissues / Biomaterials

3.   Osteoinduction by calcium phosphate biomaterials / Journal of Materials Science-Materials in Medicine

4.   Bone morphogenetic protein and ceramic-induced osteogenesis / Journal of Materials Science-Materials in Medicine

5.   Evaluation of the expression of collagen type I in porous calcium phosphate ceramics implanted in an extra-osseous site / Biomaterials

6.   A preliminary study on osteoinduction of two kinds of calcium phosphate ceramics / Biomaterials

7.   Osteogenesis in extraskeletally implanted porous calcium phosphate ceramics: Variability among different kinds of animals / Biomaterials

8.   The precipitation of bone-like apatite on the surface of calcium phosphate - the effect of bovine serum album / Key Engineering Materials

9.   Material-dependent bone induction by calcium phosphate ceramics: a 2.5-year study in dog / Biomaterials

10.  Replacement of segmental bone defects using porous bioceramic cylinders: A biomechanical and X-ray diffraction study / Journal of Biomedical Materials Research