新型医用材料的功能化设计及生物适配基础科学问题研究

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1、项目名称：新型医用材料的功能化设计及生物适配基础科学问题研究首席科学家：起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容生物适配是各种生物医用材料在人体环境服役并与机体相互作用的关键所在。植入体内的医用材料在满足生物安全性前提下，应能够主动适应人体不同组织、不同器官、不同部位的生理环境（组织学、力学、化学等环境）要求，从而达到对病损组织与器官的有效修复，或恢复、重建其生理功能。目前临床应用量大面广的各种生物医用材料由于生物不适配而出现各种问题，是服役寿命短、临床疗效

2、不够理想的主要瓶颈。从根本上解决这些问题的关键是对材料与机体的生物适配机制进行深入系统的研究并在此基础上建立材料的功能化设计准则和发展功能化制备技术。多年来国内外对相关材料的研究主要集中在对不适配现象的揭示，发现现有材料的物理、化学、力学等性能上的缺陷，如金属植入材料的腐蚀离子和有害粒子在机体内引起组织不适配的问题，材料与机体组织力学不适配导致周围组织吸收的问题以及材料不具备降解性或降解不可控而导致的与组织再生修复不匹配的问题等。近几年的研究对解决特定问题也已经提出了一些思路，其中基于仿生的理念

3、对材料本体或表面进行功能化的设计甚至构建全新的材料更是当前的研究前沿和热点。总体而言，目前对实现生物适配所涉及的材料学和生物学因素仍缺乏系统的研究和揭示，导致新型功能化生物医用材料的研究与发展缺乏理论依据和设计依据。因此，对量大面广生物医用材料的生物适配机制进行系统研究对于解决临床问题具有现实的迫切性和长远的科学意义。 有鉴于此，本项目主要面向骨（软骨）修复、齿科植入、心血管介入治疗这三大类临床病患众多、对生物医用材料需求巨大的领域，针对目前广泛应用的生物医用材料（包括金属类、非金属类及复合材料

4、）在临床实践中迫切需要解决的科学问题，并基于国内外研究前沿及前瞻性布局的考虑，开展新型医用材料的功能化设计及生物适配基础科学问题研究。拟解决的关键科学问题可归结为： (1)材料的组织适配机制，医用材料功能化设计及其性能优化，材料本体和表面在生理微环境中的物理、化学等性能的演变规律，材料因素与蛋白吸附、细胞粘附、细胞分化、组织生长等方面相互作用的内在关系； (2)材料在生理环境中的可控降解适配机制，材料的化学、生物学降解途径和机理，材料降解与组织修复相匹配的机制及降解产物的安全代谢机制； (3)材

5、料的力学适配机制，材料在服役期间的力学性能变化规律，与其周围生物体组织/细胞之间的生物力学相互作用，以及材料/细胞间力学信号转导机制。 (4)基于生物适配理论的生物医用材料功能化设计及构建原理，即对材料的成分、结构、表面修饰等材料学因素精确调控的理论基础。围绕拟解决的关键科学问题，本项目主要研究内容如下：(1)围绕生物医用材料的组织适配机制，根据临床应用中不同组织对材料的特异性要求，针对材料的成分、结构设计，研究植入材料组成、结构、表面形貌及化学官能团对新生组织形成、材料与组织的结合界面以及对周

6、围组织的影响。(2)针对新型医用金属材料的特点，进行多孔结构、成分调控、本体合金化等多种形式的生物适配设计和生物医学功能设计，并研究金属植入材料的生物安全性、杀菌/抑菌及修复骨缺损、抑制局部骨质疏松等功能。(3)以组织适配为切入点，系统研究金属表面功能化类骨结构特征及组织适配机制，提出并发展新型金属植入器件表面功能化类骨结构的设计理论与构建方法。(4)从新型类骨修复材料的多级仿生设计出发，研究类骨材料的分子组装、形态与结构的精确控制机理，研究类细胞外基质生物活性分子、功能基团等对骨修复的生物适配

7、分子调控作用，研究材料组成、多级结构、表面拓扑结构与化学特性等对成骨细胞和软骨细胞的选择性吸附、选择性分化、增殖、表型维持间的信号联系及相关细胞信号转导的作用规律。(5)围绕生物医用材料的可控降解机制，从提高可降解镁合金临床应用的安全性出发，研究新型可降解镁合金材料的成分设计和先进制备技术，探讨其在生理环境中的降解方式、降解速率调控及材料力学强度衰变规律，提出镁合金血管支架的结构设计准则并评价其降解产物对心肌组织和神经系统的影响，定性和定量测定降解产物和离子的释放动力学特征，研究体内降解产物的组

8、成、主要代谢途径和动力学规律，系统研究不同几何结构、材料属性在动物体内降解过程中的结构完整性、力学支撑强度等性能随服役时间的退化规律，构建可降解材料的结构连续损伤模型。(1)围绕生物医用材料的力学适配，研究材料力学性质对材料/组织结合特性的影响规律，界面应力屏蔽的形成和解决原理，植入材料在体内服役状态下的应力分布；通过有限元模拟及相关实验，研究材料与其周围生体组织之间的生物力学行为，包括植入体周围的应力状态对骨整合、骨愈合形成的影响规律；探讨植入器件的生物力学适配性与材料自身力学性能之间的关系规