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項目名稱： Ca-P生物材料的骨誘導性及其機理研究
推薦單位： 四川省
項目簡介： 基于項目組1990年的實驗發現:一定的無機磷酸鈣陶瓷可以誘導骨形成。一般認為，無生物活性物質的生物材料不可能誘導組織再生，通常是在材料中外加生長因子或體外培養細胞，賦予材料這種功能。本項目將不同Ca-P材料植入不同種系動物非骨位置，通過成骨過程的組織形態學研究和統計分析，特征蛋白和基因表達，以及新骨的組成和結構分析，確證了這一發現，并證明Ca-P陶瓷誘導成骨屬正常的膜內成骨，與動物種系和材料學因素相關；進一步揭示:誘發材料（不僅是CaP材料）骨誘導作用的材料學因素是：一定的三維多孔和表面結構，以及材料表面類骨磷灰石層的形成，提出通過材料自身優化設計賦予其骨誘導性的普適性原理；通過細胞形態、以及結構和功能的超結構分析，發現：骨發生必須的間充質細胞，可來自長入材料孔隙的纖維結締組織；成骨必須的骨誘導信號分子--骨形態發生蛋白（BMPs）可來自材料孔壁對體內本征BMP的富集，以及刺激長入孔隙的非骨細胞分泌，材料的骨誘導作用是貫穿整個成骨過程的多種骨生長因子綜合作用的結果；提出了材料骨誘導機理假說；評價了材料骨誘導作用的生物安全性和臨床應用前景，證明骨誘導材料植入骨內可誘導骨再生，并最終重建被損壞的骨，促進骨早日康復。形成生物材料骨誘導理論雛型，整套研究模型和方法；首創骨誘導人工骨并用于臨床，獲SFDA市場準入。
200余種國際刊著引用了發表的論文，SCI收錄論文100余篇并他引840余次，獲教育部一等獎和總后二等獎。目前的研究已擴展到材料對其它組織的誘導性。以本項目為重要基礎，2005年科技部啟動了973項目"組織誘導性生物醫用材料的基礎研究"，三次世界生物材料大會（2000、2004、2008年）及多個國際會議均列有專題討論；10余個國家學者跟蹤研究；973驗收評價："我國生物材料科學的一項標志性成果，屬國際領先"。國家多個科技計劃指南將骨誘導性列為骨修復材料的一個基本要求。為開拓發展新一代生物材料新途徑奠定了基礎。
主要發現點： 1. 發現不含活性生物物質的、無生命的多孔羥基磷灰石陶瓷，以及其它磷酸鈣陶瓷和Ca-P材料可誘導骨形成[1，11-14]。通過植入動物非骨部位的陶瓷成骨過程中出現的細胞及細胞分化過程的組織形態學研究和統計分析[2，3，15]，基因和特征蛋白的表達及其mRNA半定量分析[4，5，16-18]，以及新骨的組成、結構分析[19，20]，首次系統和較完整地確證了此發現，并證明材料誘導骨形成屬正常的膜內成骨。同時發現，其誘導成骨作用與材料學因素[6，12-14] 和動物種系相關 [7，21-23]。（對應學科：4304010）
2. 發現并證明：磷酸鈣陶瓷誘導骨形成必須的骨誘導信號分子可來自于陶瓷孔壁對體內內源性骨誘導信號分子（如BMPs）的富集，以及刺激長入孔隙的非骨細胞的分泌[4，24，25]，材料對體內蛋白的吸附譜受其組成及結構影響。通過新骨形成前細胞特異性染色，形態、結構及功能的電子顯微鏡分析，發現陶瓷成骨必須的間充質細胞來自機體長入陶瓷孔隙的纖維結締組織[26，27]。（對應學科：4304010）
3. 提出和證明了：誘發材料骨誘導作用的材料學因素是：適當的三維和表面多孔結構[3，4，8，28，29]和表面類骨磷灰石層的形成[8，26，30-33]；發現此規律具有普遍性，即適用于即使是典型的生物惰性陶瓷和金屬材料[26，34-36]。（對應學科：4304010）
4. 基于上述發現，從間充質細胞和骨誘導信號分子來源，適于成骨的三維多孔結構，提出生物材料骨誘導作用的機理假說[6，9，26，37]，探索了陶瓷富集骨生長因子的機理[4]。（對應學科：4304010）
5. 首次系統證明生物材料骨誘導作用是生物安全的，可促進新骨形成，加速骨康復，并隨著材料緩慢降解，最終可為新骨所替換[9，38-41]�；诖它c，提出"體內骨組織工程"新途徑[10，42]，即利用骨誘導人工骨的骨誘導性，將材料先植入體內非骨位置，體內培養骨組織細胞，然后再移植到骨缺損部位，試驗表明可加速骨康復，避免通常骨組織工程對體外培養骨組織細胞的苛刻要求。同時證明骨誘導磷酸鈣陶瓷是優良的骨生長因子載體[43]。發現特征蛋白表達的時序及水平有可能作為評價材料生物相容性的標記[16，17，40]。（對應學科：4304010）
6. 首創骨誘導人工骨，獲國家藥監局生產注冊證，并首先將其用于臨床，療效顯著[44]。（對應學科：4304010）
主要完成人： 1. 張興棟
973和國家自然科學基金重大項目本課題負責人。本成果學術觀點提出人。負責本項目總體規劃、技術路線、研究方案制定并實施。
于國際同期獨立發現磷酸鈣陶瓷骨誘導現象；提出在細胞和分子水平上確證其骨誘導性，研究骨誘導作用的機理，探索誘發材料骨誘導作用的因素，以及評價生物相容性及臨床應用潛力的技術路線和方案；指導研究和實驗工作，匯總實驗結果，提煉上升為學術觀點和理論；主持和組織兩次世界生物材料大會的專題研討會，提出組織誘導生物材料的概念；對項目完成和成果取得了決定性作用。投入項目工作量60%。
2. 袁惠品
系統地完成不同鈣磷和非鈣磷材料不同動物種系的骨誘導過程中細胞分化的組織形態學研究；確證多孔Ca-P陶瓷可以富集本征骨形態發生蛋白達到骨誘導成骨的閾值，并為骨誘導作用所必須；實驗證明骨誘導多孔磷酸鈣陶瓷是骨形態發生蛋白的優良載體；實驗評價骨誘導作用能誘導骨再生，加速骨康復。發表論文20余篇 ，在重要國際會議上報告20余次，對項目完成起了關鍵作用，對研究成果能為國際接受起了重要作用，并進一步發現材料可誘導軟骨形成，對促進擴大材料骨誘導性研究到對其它組織誘導性研究起了重要作用。投入項目工作量80%。
3. 范紅松
利用體外和體內試驗，通過對磷酸鈣陶瓷表面/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因素和生物學因素的關系；與材料生物學性能相關的表面/界面特征及其與材料骨誘導性的關系，為Ca-P生物陶瓷材料骨誘導性的機理研究和優化設計提供了基礎。負責并共同完成骨誘導過程中材料學因素與骨相關細胞特征蛋白/基因表型表達的關系研究，提出材料通過影響成骨細胞相關基因的表達影響其骨誘導性。負責骨誘導材料的優化設計和制備工藝研究，在理論研究基礎上設計并制備第一批骨誘導材料及制品并取得國家食品藥品監督管理局生產注冊證，取得良好效果。投入項目工作量80%。
4. 張聰
系統地完成了骨誘導人工骨臨床前的動物實驗和臨床試驗，提供了“體內骨組織工程”的實驗基礎，以完成的博士論文為題，獲中國人民解放軍總后醫療成果二等獎。投入項目工作量80%。
5. 屈樹新
利用透射電鏡及X-光能量散射微探針，從細胞形態、結構和功能分析確證了可向骨組織細胞分化的間充質細胞的存在，及其向骨母細胞、成骨細胞分化的相伴隨的膠原和磷酸鈣的分泌及骨基質形成過程；對新生骨組織/磷酸鈣植入體界面的超微結構分析，從骨組織的組成提供了磷酸鈣骨誘導的整句，證明了新生骨組織可通過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過程中I型膠原及骨涎蛋白的表達；證明了骨誘導過程中生物化學信號分子之一來自材料刺激非骨細胞的分泌。投入項目工作量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
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