新型醫(yī)用材料的功能化設(shè)計(jì)及生物適配基礎(chǔ)科學(xué)問題研究

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1、項(xiàng)目名稱：新型醫(yī)用材料的功能化設(shè)計(jì)及生物適配基礎(chǔ)科學(xué)問題研究首席科學(xué)家：王迎軍華南理工大學(xué)起止年限：2012.1-2016.8依托部門：教育部一、關(guān)鍵科學(xué)問題及研究?jī)?nèi)容生物適配是各種生物醫(yī)用材料在人體環(huán)境服役并與機(jī)體相互作用的關(guān)鍵所在。植入體內(nèi)的醫(yī)用材料在滿足生物安全性前提下，應(yīng)能夠主動(dòng)適應(yīng)人體不同組織、不同器官、不同部位的生理環(huán)境（組織學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等環(huán)境）要求，從而達(dá)到對(duì)病損組織與器官的有效修復(fù)，或恢復(fù)、重建其生理功能。目前臨床應(yīng)用量大面廣的各種生物醫(yī)用材料由于生物不適配而出現(xiàn)各種問題，是服役壽命短、臨床療效不夠理想的主要瓶頸。從根本上解決這些問題的關(guān)鍵是對(duì)材料與機(jī)體的生物適配

2、機(jī)制進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究并在此基礎(chǔ)上建立材料的功能化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和發(fā)展功能化制備技術(shù)。多年來國內(nèi)外對(duì)相關(guān)材料的研究主要集中在對(duì)不適配現(xiàn)象的揭示，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有材料的物理、化學(xué)、力學(xué)等性能上的缺陷，如金屬植入材料的腐蝕離子和有害粒子在機(jī)體內(nèi)引起組織不適配的問題，材料與機(jī)體組織力學(xué)不適配導(dǎo)致周圍組織吸收的問題以及材料不具備降解性或降解不可控而導(dǎo)致的與組織再生修復(fù)不匹配的問題等。近幾年的研究對(duì)解決特定問題也已經(jīng)提出了一些思路，其中基于仿生的理念對(duì)材料本體或表面進(jìn)行功能化的設(shè)計(jì)甚至構(gòu)建全新的材料更是當(dāng)前的研究前沿和熱點(diǎn)?？傮w而言，目前對(duì)實(shí)現(xiàn)生物適配所涉及的材料學(xué)和生物學(xué)因素仍缺乏系統(tǒng)的研究和揭示，導(dǎo)致

3、新型功能化生物醫(yī)用材料的研究與發(fā)展缺乏理論依據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。因此，對(duì)量大面廣生物醫(yī)用材料的生物適配機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究對(duì)于解決臨床問題具有現(xiàn)實(shí)的迫切性和長(zhǎng)遠(yuǎn)的科學(xué)意義。 有鑒于此，本項(xiàng)目主要面向骨（軟骨）修復(fù)、齒科植入、心血管介入治療這三大類臨床病患眾多、對(duì)生物醫(yī)用材料需求巨大的領(lǐng)域，針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的生物醫(yī)用材料（包括金屬類、非金屬類及復(fù)合材料）在臨床實(shí)踐中迫切需要解決的科學(xué)問題，并基于國內(nèi)外研究前沿及前瞻性布局的考慮，開展新型醫(yī)用材料的功能化設(shè)計(jì)及生物適配基礎(chǔ)科學(xué)問題研究。擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題可歸結(jié)為： (1)材料的組織適配機(jī)制，醫(yī)用材料功能化設(shè)計(jì)及其性能優(yōu)化，材料本體和表面在生理微

4、環(huán)境中的物理、化學(xué)等性能的演變規(guī)律，材料因素與蛋白吸附、細(xì)胞粘附、細(xì)胞分化、組織生長(zhǎng)等方面相互作用的內(nèi)在關(guān)系； (2)材料在生理環(huán)境中的可控降解適配機(jī)制，材料的化學(xué)、生物學(xué)降解途徑和機(jī)理，材料降解與組織修復(fù)相匹配的機(jī)制及降解產(chǎn)物的安全代謝機(jī)制； (3)材料的力學(xué)適配機(jī)制，材料在服役期間的力學(xué)性能變化規(guī)律，與其周圍生物體組織/細(xì)胞之間的生物力學(xué)相互作用，以及材料/細(xì)胞間力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。 (4)基于生物適配理論的生物醫(yī)用材料功能化設(shè)計(jì)及構(gòu)建原理，即對(duì)材料的成分、結(jié)構(gòu)、表面修飾等材料學(xué)因素精確調(diào)控的理論基礎(chǔ)。圍繞擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，本項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)圍繞生物醫(yī)用材料的組織

5、適配機(jī)制，根據(jù)臨床應(yīng)用中不同組織對(duì)材料的特異性要求，針對(duì)材料的成分、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究植入材料組成、結(jié)構(gòu)、表面形貌及化學(xué)官能團(tuán)對(duì)新生組織形成、材料與組織的結(jié)合界面以及對(duì)周圍組織的影響。(2)針對(duì)新型醫(yī)用金屬材料的特點(diǎn)，進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)、成分調(diào)控、本體合金化等多種形式的生物適配設(shè)計(jì)和生物醫(yī)學(xué)功能設(shè)計(jì)，并研究金屬植入材料的生物安全性、殺菌/抑菌及修復(fù)骨缺損、抑制局部骨質(zhì)疏松等功能。(3)以組織適配為切入點(diǎn)，系統(tǒng)研究金屬表面功能化類骨結(jié)構(gòu)特征及組織適配機(jī)制，提出并發(fā)展新型金屬植入器件表面功能化類骨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與構(gòu)建方法。(4)從新型類骨修復(fù)材料的多級(jí)仿生設(shè)計(jì)出發(fā)，研究類骨材料的分子組裝、形態(tài)與

6、結(jié)構(gòu)的精確控制機(jī)理，研究類細(xì)胞外基質(zhì)生物活性分子、功能基團(tuán)等對(duì)骨修復(fù)的生物適配分子調(diào)控作用，研究材料組成、多級(jí)結(jié)構(gòu)、表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與化學(xué)特性等對(duì)成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的選擇性吸附、選擇性分化、增殖、表型維持間的信號(hào)聯(lián)系及相關(guān)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用規(guī)律。(5)圍繞生物醫(yī)用材料的可控降解機(jī)制，從提高可降解鎂合金臨床應(yīng)用的安全性出發(fā)，研究新型可降解鎂合金材料的成分設(shè)計(jì)和先進(jìn)制備技術(shù)，探討其在生理環(huán)境中的降解方式、降解速率調(diào)控及材料力學(xué)強(qiáng)度衰變規(guī)律，提出鎂合金血管支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并評(píng)價(jià)其降解產(chǎn)物對(duì)心肌組織和神經(jīng)系統(tǒng)的影響，定性和定量測(cè)定降解產(chǎn)物和離子的釋放動(dòng)力學(xué)特征，研究體內(nèi)降解產(chǎn)物的組成、主要代

7、謝途徑和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，系統(tǒng)研究不同幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性在動(dòng)物體內(nèi)降解過程中的結(jié)構(gòu)完整性、力學(xué)支撐強(qiáng)度等性能隨服役時(shí)間的退化規(guī)律，構(gòu)建可降解材料的結(jié)構(gòu)連續(xù)損傷模型。(1)圍繞生物醫(yī)用材料的力學(xué)適配，研究材料力學(xué)性質(zhì)對(duì)材料/組織結(jié)合特性的影響規(guī)律，界面應(yīng)力屏蔽的形成和解決原理，植入材料在體內(nèi)服役狀態(tài)下的應(yīng)力分布；通過有限元模擬及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究材料與其周圍生體組織之間的生物力學(xué)行為，包括植入體周圍的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)骨整合、骨愈合形成的影響規(guī)律；探討植入器件的生物力學(xué)適配性與材料自身力