项目名称： 生物医用材料组织诱导作用的分子机制与设计原理.doc

项目名称：生物医用材料组织诱导作用的分子机制与设计原理二、预期目标总体目标：立足本世纪生物医用材料科学与工程发展的方向和前沿设计和制造有生命的人体组织和器官，建立生物材料组织诱导作用研究的模型和方法，确证无生命的生物医用材料通过自身优化设计可以诱导各种有生命的人体组织和器官形成，揭示材料组织诱导作用的分子机制，建立组织诱导性生物医用材料的设计原理和制造方法学，形成较为完整生物医用材料组织诱导作用理论体系，开拓生物医用材料科学与工程发展的新方向，为跨越式地建立和发展具有战略意义和国际先进水平的我国高技术生物医用材料新产业，推进常规产业的技术改造，力争15-20年内彻底改变我国高技术生物医用材料主要依靠进口的局面，满足全民医疗保健的基本需求并批量出口，提供原创性的科学基础。同时，培养一批国际著名的生物医用材料科学与工程的领军人才，以及世界先进水平的中、青年学术骨干，为我国生物医用材料科学与产业的持续发展，成为世界的大国和强国奠定人才基础；巩固和发展承担本项目的“国家生物医学材料工程技术研究中心”等五个国家级研发机构，以及七个教育部重点实验室和两个省级研发机构，为我国生物医用材料研发基地的建设做出贡献。生物医用材料组织诱导作用分子机制的研究，建基于分子水平上对材料和组织相互作用的深入认识，其主要基础是人类对于自身组织和器官与其功能关系的深入了解，但迄今为止这一认识还不十分清楚，还需要一个长期的过程。因此，本项目总体目标的核心在分子水平上建立完整的生物材料组织诱导性理论体系，也是一个长期的不断完善的过程。但是，随着科学技术的进展，总体目标的实现会逐步趋近，在此过程中任何重大突破将会导致生物材料科学的重大变化并将对产业产生效应。例如，材料骨诱导作用及其理论雏形的形成，导致了“划时代的用于再生医学的骨诱导生物材料的到来”，并已应用于临床。五年预期目标：（1）在医用高分子、陶瓷、金属三大类材料对软骨、神经、血管内膜及心肌等组织再生诱导作用研究的基础上，建立生物材料组织诱导性理论框架，包括一般性通用原理及骨、软骨、神经、血管内膜及心肌等组织诱导性材料的设计原理：w 建立研究材料组织诱导性作用分子机制的模型、方法和生物安全性评价模型；w 较全面地揭示与组织诱导形成相关的材料组成、结构及特性；w 初步认识材料特性转导为细胞内分子信号、调控干细胞定向分化和细胞行为的途径及其转导机制；w 初步认识材料表面/界面和三维微结构和特性与细胞定向分化及行为的定性定量关系；w 提出诱导干细胞定向分化的材料表面/界面和三维微环境构建原理及方法学；w 探索评价材料组织诱导作用生物安全性和可靠性的分子标记、模型和方法；w 建立材料诱导组织再生作用的计算机模拟模型并初步进行综合性理论分析。（2）研发出诱导软骨、神经、血管内膜、心肌等组织再生的组织诱导性生物材料，力争23种产品SFDA取证或进入临床试验，优化骨诱导材料的骨诱导性。（3）培养58名国际著名的生物医用材料科学与工程领军人才，一批世界先进水平的多学科交叉中、青年学术骨干。（4）形成国际、国内的组织诱导性生物材料研究的科技创新公用平台。（5）作为基础研究成果的反映，本项目将发表400余篇SCI源刊学术论文，在国际高影响因子期刊上发表系列化研究论文：申报国家发明专利3035项，其中80%以上获授权；申请国际发明专利510项；争取获国家三大奖23项。三、研究方案学术思路：基于天然组织形成的分析，生物医用材料骨诱导作用的研究，以及现有的各种物理、化学、几何等因素对细胞行为及基因表达影响研究的报导，生物医用材料诱导组织形成的过程可初步概括如下：一定组成、结构的材料植入体内后，其表面首先在生理环境中发生生物化学反应，形成特异性的表面/界面，并由其参与形成可容纳细胞的三维微环境。表面/界面及微环境的组成、结构等取决于材料本体及表面的组成、结构及植入后所处的生物环境（动物种系、个体差异、植入部位等）。具有特定组成、结构及几何特征的表面/界面及三维微环境将表现出一定的物理、化学、生物力学等特性。这些特性或材料学信号首先作用于体内不同的蛋白分子，引起一定的蛋白分子构型变化并暴露出活性位点，从而选择性地被吸附于材料的表面/界面。被吸附于表面/界面上的蛋白分子构型受材料表面特性的影响将进一步变化，显露特异性的活性位点并与体内干细胞的细胞膜上一定的受体结合，使干细胞黏附于材料表面。被集聚和黏附于材料表面/界面及微环境中的体内干细胞由于材料学信号的作用，其增殖、生长、迁移、形态等细胞行为将被调控；同时材料学信号亦可被转导为细胞内特定的分子信号，并在空间和时间上被程序化表达，从而调控细胞沿特定组织细胞系分化，最终形成特定的组织。材料学信号向细胞的转导，可能通过材料信号对细胞直接作用，也可能通过材料学信号与自然组织自身的生物学信号相互作用后转导。根据上述分析，为了认识生物医用材料组织诱导作用的分子机制并建立其设计原理，必须研究和了解：（1）材料的什么性质或因素可以影响和调控细胞的什么行为和特异性基因表达及其作用机理；（2）材料特性是多样的，体内的生物分子及生物学信号也有多种，他们彼此将相互作用，因此，必须了解这些信号间的相互作用及关系，调控干细胞向特定组织方向分化的主要信号是什么，他们的分子本质及转导为细胞内分子信号的通道；（3）材料诱导干细胞定向分化是通过材料对细胞内基因有序或程序化激活而进行的，材料学信号如何调控细胞内基因程序化表达，与材料性质及组成、结构的关系如何；（4）材料表面/界面与体内蛋白的相互作用及选择性吸附，对细胞黏附、定向分化及行为有决定性影响。这种相互作用发生于分子水平，必须了解影响干细胞定向分化的材料表面/界面的微/纳米结构、分子构型、生物力学性质等及其与蛋白选择性吸附及细胞行为的定性、定量关系；（5）组织形成一般发生于三维空间，细胞通常处于三维微环境中，在材料表面/界面认识的基础上，必须了解影响细胞行为和基因表达的细胞所处三维微环境的特征及其与细胞行为和基因表达的定性、定量关系；（6）材料在组织再生及重建中通常是一种临时性的支架，将随组织再生被生物降解，必须了解材料的生物降解及降解产物对组织形成的影响和机制；（7）在对材料组成、结构及理、化等性质与细胞行为及基因表达的定性、定量关系研究基础上，必须建立诱导特定组织形成的材料表面/界面及三维微结构设计原理及构建方法和工艺技术；（8）材料组织诱导作用的长期生物安全性及可靠性，探索其分子标记。生物医用材料是多种多样的，不同材料表现出的特性不尽相同，不同生物组织形成的条件亦不相同。本项目将以医用高分子、陶瓷及金属三大基础生物医用材料为对象，以材料对软骨、神经、血管内膜及心肌等组织的诱导作用为范例展开研究，并在此基础上综合研究结果，结合计算机模拟及理论分析，形成组织诱导性生物医用材料的理论雏形。材料对蛋白分子的吸附不是单一的，而是多种类的；对细胞内基因的激活也不是单一的，而是多个的，只是基因表达的时、空随组织形成过程有所不同。材料对蛋白选择性吸附及基因激活和调控均发生于分子水平，不仅与材料宏观、微观形态及特性相关，更与材料表面/界面及三维微结构的微/纳米结构、分子组成和构型等直接相关，本项目研究将充分利用纳米科学和技术、基因组学、蛋白组学、分子影像的研究成果和实验方法。基于上述思路，本项目研究的技术途径如下：技术途径：本项目是在“十.五”、“十一.五”连续两个“973”项目关于组织诱导性生物医用材料研究基础上的深化和发展，技术途径的制定必须在总体学术思路指导下，充分利用前期研究成果。前期研究的主要进展是：确证了Ca-P生物材料（主要为陶瓷）可以诱导骨形成，定性地提出了初步机理解释；发现了胶原基水凝胶可诱导软骨形成，机理研究仅刚起步；发现透明质酸接枝抗体后可诱导神经元形成，但神经、特别是中枢神经的诱导还待进一步研究；发现表面离子束改性的金属钛经进一步改性后有可能诱导抗凝血及抑制组织增生的类血管内膜组织形成，但仅表现出苗头；发现非病毒的基因控释载体可程序化地转导基因表达等。根据上述情况和本期“973”申报指南要求，本项目技术途径方框图如下所示。本项目着重研究生物医用材料组织诱导作用的分子机制，因此选择前期研究已、或可能具有组织诱导作用的高分子、陶瓷、金属材料经优化后作为试样，分别研究试样的物理（结构、表面及表面微结构，植入体晶粒尺度、力学、电学性质等）、化学（化学组成，分子构型，功能团，亲、疏水性，溶胀、降解等）、生物力学特征（试样宏观及微观应力分布，液流等）及几何特性（形态、表面形貌及微图案、孔隙形态等）对细胞行为及细胞内基因表达的影响及相互关系；再深入研究材料学信号转导至细胞，以及激活细胞基因程序化表达的机制，包括材料学信号对机体内本征生物信号的影响；然后分析各种材料学信号的相互作用及诱导特定组织形成的主要信号；在上述基础上建立构建特定组织形成的表面/界面及细胞三维微环境的设计原理；进一步通过计算机模拟及理论分析总结材料诱导组织形成的分子机制，以及组织诱导性生物医用材料的分子设计原理，形成较为系统和全面的生物医用材料组织诱导性理论，包括一般性通用理论和原理，以及针对不同材料和组织的次级论述和原理，同时反馈研究结果进一步优化材料设计，开发几种新一代生物医用材料组织诱导性生物医用材料，并评价其长期生物安全性及可靠性。与国内外同类研究相比的创新点与特色：虽然生物医用材料组织诱导作用已在国内外广泛研究并已成为生物材料科学的研究热点，但是迄今为止，对其机理的研究，仅限于对某种材料的某个单一因素，如弹性模量、表面电性、接枝某种功能基团等对干细胞行为及基因表达影响的定性研究，除本项目组系统地报导了Ca-P生物材料的骨诱导作用研究结果，并提出材料可激活和调控干细胞成骨基因级联表达外，还没有发现材料诱导某种组织形成及其机理的系统和综合性报导。同时，除本项目组外，尚无材料诱导软骨形成，以及材料可诱导神经、内膜组织形成的报导。虽然国际上也继本项目组之后证明了生物玻璃陶瓷和表面活化的多孔钛可诱导骨形成，但迄今仅本项目组研究的Ca-P骨诱导人工骨取证并投入临床推广应用，虽然其骨诱导性尚需进一步优化。这些情况表明，目前本项目组对生物医用材料组织诱导作用的研究仍暂居国际领先水平。本项目研究的创新点和特色在于：（1）本项目研究是对生物医用材料科学与再生医学的传统观念：无生命的材料不可能诱导组织形成的挑战，在突破通过材料自身优化设计可以诱导骨形成的基础上，将挑战性地证明无生命的材料也可以诱导其他非骨组织形成，即仅通过材料自身即可实现被损坏的组织再生和重建。其结果将导致生物材料科学和再生医学革命性的变化，并为患者节约治疗费用，带来福音。（2）本项目将较全面和系统地揭示生物材料组织诱导作用的分子机理，建立涉及硬、软组织的较为全面的组织诱导性生物医用材料的基本设计原理，力争抓住暂居国际领先的机遇，率先建立较完整的生物材料组织诱导作用理论雏形，为第三代生物材料的发展奠定基石，并促进材料科学、再生医学和生命科学的发展，做出中国科学家对科学技术发展的意义重大的贡献。（3）利用包括纳米技术等材料科学与工程最新进展，现代细胞生物学和分子生物学，特别是基因组学和蛋白组学的研究成果，以及分子影像技术等，在国际先进水平上率先建立较为完整的生物医用材料组织诱导作用研究和评价的模型和方法。（4）基于上述研究，作为理论应用，研发出国际新一代软骨、神经、血管内膜等组织修复材料组织诱导性生物材料。（5）再生医学产业的发展面临一个重要问题是干细胞及组织器官移植物的获取，以及活体细胞和组织工程活体器械的贮存、运输等问题。本项目研究将为再生医学产业的发展提供新的基础和途径。预期取得重大突破的可行性分析本项目研究的核心是在分子水平上深入认识材料和细胞及组织间的相互作用，模拟天然组织形成，研究生物材料的组织诱导作用的分子机理。但是如前所述，对其全面和清楚的认识，还需进行长期的研究。本项目五年内预期可取得重大突破如下：预期可取得的重大突破：（1）全面突破无生命的材料不可能诱导组织形成、特别是非骨组织形成的传统观点，开拓生物医用材料科学和工程以及再生医学发展的新方向；（2）建立较为完整的生物医用材料组织诱导作用的理论雏形，为新一代生物医学材料的发展奠定基石；（3）提供用于矫形外科、心血管及神经外科的组织诱导性生物材料并应用于临床，为解决再生医学产业发展中组织、器官及干细胞来源及其他相关科学技术问题提供新的思路和途径，为再生医学产业的发展注入新活力。可行性分析：（1）前期研究的基础。在定性研究基础上，建立了生物医用材料骨诱导理论雏形，研发出了新一代人工骨骨诱导人工骨，发现材料可诱导软骨形成；材料可能诱导神经元及血管内膜形成；同时骨诱导人工骨的长期动物试验和诱生骨基因分析，以及近10年的临床应用表明，材料诱导的新骨仅限于植入体范围内，未发现材料无限诱导骨形成及诱生骨基因变异，从而为本项目研究建立了立足点，并展现了光明的前景；（2）纳米技术、计算机技术、结构化学以及现代细胞生物学、分子生物学特别是基因组学及蛋白组学及其实时检验分析方法以及分子影像技术的进展为本项目在分子水平上研究奠定了相关学科基础；（3）经过近15年来自然科学基金重大项目、以及连续两个“973”项目的支持，在组织诱导性生物医用材料研究方面已形成以国际著名生物材料专家、院士、长江学者及杰出青年基金获得者为学术带头人和学术骨干的、多学科交叉的、有实力的科技创新团队，并在国内外有相当的知名度；（4）研究单位包括学科交叉的国内最有实力的生物医用材料研究单位，能够提供良好的研发条件及外围环境支持；（5）首席科学家已连续两期任“973”项目首席科学家，并从事生物材料组织诱导作用及基因控释载体及系统研究，具有良好的项目组织协调及研究能力。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年1. 制备具有不同物理学特征的Ca-P陶瓷和胶原基水凝胶材料；研究与细胞行为相关的材料物理性质及其表征方法；研究陶瓷及水凝胶材料对干细胞行为和命运归程的影响。2. 设计、合成和构建一系列具有特定化学性质的生物材料；系统研究材料的分子结构、化学组份、功能基团、亲/疏水性、降解性能、分子链构象、微观结构等，并进一步指导高分子材料的设计和优化。3. 材料功能表面的制备、表征及相关技术的建立：制备硅片、玻璃片、金片等模型表面，或聚(乳酸-乙醇酸)、聚己内酯等聚合物膜等基材表面，构建具有阻粘、促粘、微/纳图案化、特异性细胞识别、拟细胞膜等性能的功能表面，研究材料表面化学组成、微结构、粘弹性等理化特征的可控制备技术；通过体外细胞培养，初步评价材料表面对细胞行为的作用，获得特异性诱导或抑制细胞行为的功能表面。4. 模仿天然软骨结构，构建可诱导干细胞软骨分化的结构微环境；在心血管材料表面设计与制备微纳米拓扑结构，研究其对材料-血液/血管界面环境中的生物分子、细胞行为的影响关系；研究结构微环境、表面微纳米结构对干细胞定向软骨/血管内皮细胞分化机制，并用于指导软骨/血管内膜修复材料的设计与制备5. 制备不同化学基团修饰表面，调整硫醇的浓度以得到不同的化学基团密度，进行物理化学性质的测试，优化实验技术参数；神经细胞表面及神经细胞外基质的结构及形成研究；试验材料的制备、装配和表征，模型表面的构建；材料诱导神经组织形成的体内、外研究模型；神经诱导材料表面/界面微结构和神经诱导微循环的表征，对蛋白吸附谱、细胞因子分泌、基因表达及细胞分化途径的影响和调控机制。6. 设计合成一系列不同组成、结构的生物降解水凝胶材料，研究水凝胶材料的超分子自组装，研究水凝胶材料结构、组成与性能的关系；探索动物体内提取、纯化干细胞的技术和方法，建立和完善干细胞的体外培养方法和技术。1. 建立初步的研究材料体系；建立材料物理特性指标体系，及其表征方法；材料对细胞趋化、迁移、黏附、增殖、分化、凋亡的影响；建立生物材料诱导干细胞成骨和成软骨分化的技术路线。2. 完成一系列新型生物材料的设计、合成及性能表征。3. 建立具有可控理化性能的功能表面的制备方法与表征技术，实现功能表面的化学组成、微/纳结构、粘弹性等特征的可控；获得具有特异性调控细胞行为和功能的材料表面，如阻粘、促粘、图案化、特异性细胞识别、拟细胞膜等功能表面；获得2-3种代表性功能表面，建立其关键制备及表征技术。4. 研制出2-3种不同结构体系的、具有一定干细胞诱导性能的软骨/血管内膜修复材料；阐明材料结构微环境、表面微纳米结构对干细胞定向软骨/血管内皮细胞分化的影响机制。5. 建立可靠的不同基团作为独立因素修饰材料的方法，能进行定性和定量实验；完成试验材料及模型表面的制备、装配和表征；建立初步的研究模型；揭示神经诱导材料表面/界面、神经诱导微环境对蛋白吸附谱及细胞因子分泌、基因表达及分化途径调控的影响、规律和机制。6. 确立不同结构生物降解自组装水凝胶材料的结构设计方案、制备方法和性能调控技术；建立干细胞的提取纯化技术和体外培养方法。7. 发表或接收SCI源刊论文7080篇，申请国家发明专利68项。第二年1. 多孔陶瓷及水凝胶材料在生理环境中微环境的变化；研究生理条件下影响细胞行为的主要材料物理学因素；研究特定物理特性材料作用下细胞行为的定量化表征。2. 在对材料组成、结构及理、化等性质与细胞行为及基因表达的定性、定量关系研究基础上，建立诱导特定组织形成的材料本体、表面/界面及三维微结构设计原理及构建方法和工艺技术；从分子水平探索材料的化学性质对细胞粘附、迁移、增殖、分化、凋亡的影响规律及作用机理。3. 材料表面特征与细胞行为的关系及其调控机制研究；重点围绕细胞行为调控表面，优化表面设计方法和制备技术，制备具有调控细胞行为性能的系列功能表面；系统研究材料表面的化学组成、微纳米结构、图案化、粘弹性以及固定化生物活性分子等特征与细胞的黏附、增殖、迁移和分化等行为的关系；定量分析材料表面特征对细胞关键蛋白和基因表达水平的影响，建立材料表面性能对细胞行为和功能调控的定量化规律。4. 干细胞在材料表面募集（动员、趋化、迁移、归巢/捕获）和定向分化的特异性生物分子/因子的筛选；选择合适的软骨修复基质材料，构建具有诱导干细胞软骨分化的化学微环境；在心血管材料表面组装、固定催化活性分子（如胱胺、硒代胱胺、cyclen-Cu2+、纳米Cu等），构建催化活性功能界面；研究材料组分的复合、分散方式及最佳制备工艺条件。5. 将神经干细胞接种于化学基团修饰表面，进行体外培养，研究不同表面对于神经干细胞的调控作用；材料表面/界面表征及其特性对神经组织形成相关生长因子和蛋白的相互作用特异性吸附的影响和机理；表面蛋白层分子构型及微结构与细胞的相互作用及特异性细胞黏附的机理；神经相关生长调控因子对材料及其表面的修饰和装配，及对细胞特异性分化、增殖及组织形成的影响及机理；材料优化设计制备以及体外试验；材料诱导组织形成的组织形态学证据。6. 运用高通量筛选技术系统研究生物降解水凝胶的结构、组成和性能等对诱导干细胞向血管平滑肌细胞、内皮细胞等定向分化的影响因素及作用规律；对筛选出的水凝胶材料，根据国家标准，对其生物相容性、细胞毒性等指标进行评价；根据上述反馈的实验结果，对水凝胶材料的结构进行优化设计和制备；建立材料诱导干细胞向血管平滑肌细胞、血管内皮细胞等定向分化的体外模型，从组织形态学、细胞生物学和分子生物学等不同层面确立鉴定标准。1. 确定生理条件下材料微环境变化的主要表征方法；阐明生理条件下诱导干细胞成骨和成软骨分化的主要材料性质；不同物理特征材料诱导干细胞表达锚定蛋白的表达及其诱导成骨成软骨的关系。2. 组织诱导材料的构建与优化；研究材料的化学信号等对细胞行为的影响规律。3. 建立、优化细胞调控表面的制备与表征技术，阐明这些技术所构建的功能表面对细胞黏附、迁移、分化等于组织形成密切相关细胞行为的调控机理；在细胞和分子层次上阐明材料与细胞相互作用的内在机制。在蛋白和基因层次上获得材料表面理化特征与细胞生理行为的定性、定量规律，建立材料与细胞相互作用的内在关系。4. 筛选出能在材料表面募集（动员、趋化、迁移、归巢/捕获）和定向分化的特异性生物分子/因子；构建出2-3种可促进干细胞定向软骨/血管内皮细胞分化的化学微环境及催化活性功能界面；阐明材料化学微环境对干细胞软骨分化的影响机制。5. 明确不同的化学基团以及基团密度对于神经干细胞的调控作用；揭示材料表面/界面结构特性对蛋白、细胞吸附/黏附及细胞分化、增殖的影响及机制；揭示活性生物分子对细胞转染、黏附、分化和组织形成的影响和机制；完成神经外基质的优化设计；高分子材料表面生物活性成分、获得神经修复材料。6. 建立高通量筛选技术系统研究材料结构、组成等材料学因素对诱导干细胞定向分化的影响因素及作用规律的方法及技术平台；确定具有干细胞定向诱导分化功能的水凝胶材料的结构特征，揭示水凝胶材料诱导干细胞定向分化的影响因素和作用规律；获得筛选出的水凝胶材料的生物安全性评价结果，确立材料结构优化设计标准及制备方法。7. 发表或接收SCI源刊论文8595篇，申请国家发明专利68项。第三年1. 材料的物理性质诱导干细胞成骨及成软骨时的蛋白质组学及表观遗传学的变化；初步确定骨和软骨诱导材料的主要设计指标和构建方法；建立生物材料原为诱导骨及软骨动物试验模型，应用小动物活体成像系统进行体内干细胞示踪研究。2. 继续构建组织诱导材料，优化材料性能；研究材料的化学信号等对细胞行为的调控机理：研究材料的化学信号等各种性质对胞间信号和胞内信号的调控，对蛋白选择性吸附，对细胞粘附、增殖、分化行为的影响。3. 材料功能表面与蛋白相互作用的关系的研究：筛选出若干具有明确细胞调控功能的材料表面，系统研究组织形成相关蛋白在材料表面的特异性识别、选择性吸附，以及蛋白在材料表面的构型变化和功能保持等；定量分析细胞培养条件下，特定功能材料表面吸附蛋白的种类、吸附量以及功能等，建立蛋白与材料表面的相互作用的关系。4. 进行生物微环境的形成及其诱导干细胞定向分化的机理体外研究：材料在模拟生理条件下生物微环境的表征；生物微环境对干细胞定向分化的影响及机理研究。5. 制备不同化学基团修饰的透明质酸基支架，获得具有体外调控神经干细胞特异性分化的透明质酸基支架材料。接种神经干细胞，进行体外培养；研究神经干细胞与支架材料的相互作用；神经组织诱导材料微环境的形成、表征及其降解和降解产物对细胞因子分泌、基因表达及细胞分化调控的影响和机理；材料诱导功能性的动物试验和评价。评价材料生物安全性。6. 研究材料诱导干细胞定向分化过程中的细胞膜离子通道变化、跨膜信号传递、胞内信号转导以及基因表达谱等，探索材料诱导干细胞定向分化的分子机制；研究水凝胶/医用高分子材料组成、结构等物理、化学因素对基因程序化表达的影响途径和作用规律，探索能定向调控细胞程序化基因表达的水凝胶的分子设计、合成或组装方法及其功能化。1. 发现材料诱导干细胞成骨及成软骨的关键信号分子及可能的调控机制；提出材料影响细胞行为的规律，建立骨诱导陶瓷及软骨诱导水凝胶材料的设计理念；明确骨及软骨再生组织的细胞来源。2. 揭示具有不同化学性号的材料与细胞、组织的主要信号分子的相互作用规律。3. 揭示材料表面与组织发生和形成相关的主要信号蛋白分子的相互作用、识别及选择性吸附规律和机理，建立蛋白与材料表面相互作用的定性、定量关系；从分子层次上阐明材料和蛋白间相互作用规律和机制，完善材料功能表面的设计理论。4. 建立材料在模拟生理条件下生物微环境的评价体系；阐明微环境诱导干细胞定向分化为软骨及血管内皮细胞的基本原理，并用于指导新型软骨及血管内膜修复材料的分子设计及制备。5. 得到预先设定的能调控神经细胞的增殖分化方向、促进组织形成的神经修复材料；明确可调控材料与神经干细胞的作用关系和途径，在体外模拟建立诱导神经组织形成；提出神经组织诱导微环境表征方法，揭示微环境对细胞因子分泌、基因表达及组织形成调控的规律和机理；建立材料体外诱导干细胞分化模型，给出材料诱导神经组织的证据；提出评价神经修复材料生物安全性标准；神经修复材料进入临床试验。6. 揭示材料诱导干细胞定向分化的生物学过程及其分子机制；提出材料学因素对基因程序化表达的影响途径和作用规律，分子信号转导及其机理，以及能定向调控细胞程序化基因表达的材料的设计与组装及其功能化方法。7. 发表或接收SCI源刊论文100110篇，申请国家发明专利68项。第四年1. 生物材料原位诱导干细胞成骨及成软骨前后差异基因、蛋白的表达；利用动物试验比较骨及软骨诱导材料的组织诱导性能；材料性能及材料制备方法的进一步优化。2. 继续研究材料的化学信号等对细胞行为的调控机理；研究材料的化学信号等等各种性质对基因表达和干细胞行为如定向分化等的影响；系统、深入研究材料的降解及降解产物对组织形成的影响及其机制。3. 材料-蛋白相互作用与细胞行为的关系：综合材料-蛋白相互作用的定性、定量关系与材料表面特征对细胞行为调控的规律，研究多种环境下，材料表面吸附的蛋白种类、吸附量以及构型与细胞粘附、增殖、迁移和分化等行为的内在联系，获得材料表面特征-蛋白吸附规律-细胞行为的级联关系；通过关联三者的作用关系，从分子和细胞层次，阐明材料表面特征对生物体调控与诱导再生的机理。4. 进行生物微环境的形成及其诱导干细胞定向分化的机理体内研究：研究移植后生物微环境的表征；生物微环境对干细胞定向分化的影响及机理研究。5. 脑缺血模型大鼠实验，植入制备得到的透明质酸基支架与神经干细胞的复合物，观察植入后的动物的功能恢复和进行组织学测试，确定神经干细胞在体内存活分化情况；研究并证明材料诱导神经组织的材料学和生物学因素及组织诱导材料设计原理；研究组织诱导材料试验评价标准。材料组织诱导作用的机理研究。6. 建立小鼠后肢缺血模型，进行生物降解水凝胶体内诱导微血管形成的研究，探索水凝胶的组成、结构等材料学因素对体内诱导微血管再生的影响及作用规律；探索生物降解水凝胶原位注射诱导微血管再生的条件，并从功能恢复、动物活体、组织形态学、细胞生物学和分子生物学等不同层面确立体内微血管形成的鉴定标准；研究材料通过调控基因程序化表达、进而调控干细胞向血管平滑肌细胞、血管内皮细胞等定向分化并形成微血管的途径和机理。1.发现生物材料诱导干细胞成骨及成软骨的体内关键信号分子，建立相应的信号调控机制；改良骨诱导陶瓷及软骨诱导水凝胶材料的设计理念；获得具有优良诱导骨软骨形成的材料体系和制备方法。2. 进一步揭示材料的化学信号等对心肌细胞、干细胞行为的调控机理。3. 建立材料表面特征蛋白吸附规律细胞行为的多层次作用关系；理解并阐明材料的表面特征对细胞行为和生命体诱导再生性能调控的分子机制；根据实验结果，确定具有高度生物相容、特异信号传导、原位诱导组织再生材料及其功能表面的设计和制备原则。4. 建立移植后生物微环境的表征体系；揭示体内生物微环境对干细胞定向分化为软骨及血管内皮细胞的分子机制。5. 在体水平评价可调控材料支持神经干细胞生长，促进神经组织形成的可行性；提出诱发材料组织诱导作用的材料学和生物学因素；提出神经修复材料的设计原理；申报神经修复材料生产注册证。完成神经修复材料的产品标准制订。6. 阐明材料学因素对体内诱导微血管再生的影响及作用规律与机理；提出诱导微血管再生生物材料的基本设计及组装原理，研发出新一代的可在体内原位诱导微血管再生的生物材料；建立利用可注射生物降解水凝胶进行动物体内微血管再生治疗的技术和方法。7. 发表或接收SCI源刊论文8090篇，申请国家发明专利68项。第五年1. 生物材料原位诱导骨及软骨再生大动物植入试验；综合结果分析和计算机模拟；组织诱导性生物材料的生物安全性和可靠性，探索其分子标记。2. 研究材料的化学信号对心肌、微血管形成的影响及其机制；定量评价材料的化学组成与结构对材料在动物体内诱导心肌、微血管的能力；研究评估材料组织诱导作用的生物安全性；遴选出几种理想的生物材料，构建动物模型，进行动物实验，通过体内实验评价材料对细胞、组织的调控作用，进行临床应用研究。3. 具有特定表面/界面特征的组织诱导性生物材料的设计、构建与性能研究：研究材料机体界面特征对蛋白和细胞选择性吸附等性能的影响和调控机制；根据获得的规律，优化、制备具有特定表面/界面特征的组织诱导性生物材料；研究材料表面/界面特征与材料组织诱导再生性能的关系，建立并完善组织诱导性生物材料的设计与制备技术，检验相关规律。4. 建立微环境诱导干细胞定向软骨/血管内皮细胞分化评价体系；研发具有良好软骨/血管内膜诱导再生材料及其配套工艺系统；对前期研究结果进行总结、理论分析，形成微环境诱导干细胞软骨/血管内膜分化的理论。6. 研究材料在体内诱导微血管再生过程中的代谢途径，进行短期和中、长期生物安全性和可靠性的评价，进一步完善材料的设计和制备工艺；开展临床应用前景的评价。1. 具有临床应用前景的骨和软骨诱导材料构建；初步建立材料的物理性质对细胞行影响的理论模型；建立评价生物材料组织诱导性的模型、方法和标准。2. 完善生物材料组织诱导性的相关理论；建立可系统评价具有组织诱导性生物材料的相关参数和指标。3. 根据实验结果，设计具有可控蛋白、细胞调控性能的功能表面，研制出12种具有良好组织诱导再生性能的生物材料；根据体内、外实验结果，建立、完善组织诱导性生物材料功能表面设计的相关理论。4. 研发出2-3种具有良好的诱导软骨/血管内膜再生修复材料及其配套工艺；完成上述材料的动物实验及生物学检测；建立微环境诱导干细胞理论。5. 确定材料在体内诱导微血管再生过程中的代谢途径，建立长期生物安全性和可靠性的评价方法学；完成临床应用前景的评价。6. 发表或接收SCI源刊论文8090篇，申请国家发明专利68项，申报产品注册证。7. 完成结题总结报告及验收工作。一、研究内容本项目的主要目的在于立足生物医用材料科学发展趋势及前沿，建立引领本世纪生物医用材料科学和产业发展的组织诱导性生物医用材料的设计原理，为培育我国战略性高技术生物医用材料新产业奠定科学基础，同时引导常规材料的改进和提高。如前所述，本项目的立论出发点是材料介入组织再生和形成，将影响或改变细胞所处微环境，从而参与细胞行为及基因级联表达的调控，引导细胞沿特定组织细胞系分化，最终形成特定的组织。材料是否可参与细胞行为及基因表达的调控？什么材料学因素将影响及如何影响细胞行为和基因表达？其分子机制及规律？材料介入生物环境后是否会成为决定细胞分化方向及特定组织形成的决定性因素？是本项目研究必须回答的基本科学问题。材料植入体内后，其表面首先和生物环境发生反应，形成特异性表面/界面，继之由其或与材料本体三维结构和生物环境结合，形成容纳和影响细胞的微环境。了解特定组织形成的细胞微环境的表征、特点及其与材料自身因素和生物环境的关系，是建立组织诱导性生物材料设计原理的前提。为此，本项目拟解决的关键科学问题归结如下：激活和调控细胞行为及级联基因表达的生物医用材料（高分子、陶瓷、金属等）的组成、二维和三维结构、物理、化学、几何构型、生物力学性质等材料学因素，及其转导为细胞内分子信号的机制；诱发材料特定组织诱导作用的表面/界面及细胞微环境的设计和构建原理。包括：（1）材料组成、表面和三维结构（特别是微纳米结构）、物理、化学、生物力学性质及几何构型等对细胞黏附、形态、增殖、迁移等细胞行为的影响和机制；（2）材料在体内生物环境中形成的微环境的物理、化学特性及其与材料自身组成、结构（特别是微/纳米结构）、性质及生物环境的关系；（3）材料学因素（信号）转译为调控细胞定向分化的细胞内分子信号的机制和通道；（4）材料产生的物理、化学等影响细胞行为及基因表达的材料学因素（信号）的分子本质。不同组织形成要求的细胞微环境不同，不同材料能产生的材料学信号亦不相同。本项目拟模拟天然组织的形成，以高分子、陶瓷及金属等三大类基础生物医用材料为对象，以材料诱导骨、软骨、神经和心血管系统组织再生材料为范例，在此基础上，通过综合性理论分析，建立组织诱导性生物材料的基本设计原理，并力求在基础研究的指导下，研发出新一代软骨、神经、血管内膜等组织诱导性生物医用材料，并对生物医用材料产业的发展产生效应。如上所述，材料植入体内后，与机体的相互作用首先发生在表面/界面，材料表面首先吸附体内蛋白，被吸附的蛋白受材料表面组成、结构及生物力学性质、几何构型等的影响，构型发生变化，暴露特异性的活性位点与干细胞膜上一定的受体结合，从而影响细胞黏附、分化等行为。同时，细胞所处的微环境亦由在生物环境中发生反应后的材料表面/界面形成。因此，材料表面/界面为本项目研究的切入点。但是，为形成生物材料组织诱导性理论雏形，研究必须从定性推进到定量研究。为此，以拟解决的关键科学问题为核心，本项目主要研究内容如下：1. 材料表面/界面的组成、微/纳米结构、化学、物理及生物力学性质及几何特征等的表征，及其与蛋白相互作用和细胞行为的定性、定量关系；2. 可激活细胞级联基因表达、调控细胞定向分化和行为的材料学因素，或材料学信号的产生和分子本质；3. 调控细胞定向分化的材料学信号与生物学信号的相互作用，材料学信号转导为细胞内分子信号的通道及其调控细胞基因程序化表达的的机理；4. 诱导特定组织形成的材料表面/界面及三维细胞微环境的表征及其设计原理和构建；5. 材料的生物降解及其对组织形成及材料学信号转导的作用及机制；6. 材料诱导组织形成的计算机模拟及理论分析；7. 诱导软骨、神经、血管内膜组织再生的生物材料的设计原理与研发，及其生物安全性和可靠性评价的模型和方法。本项目是在“十.五”、“十一.五”两个“973”项目研究基础上的深化，旨在进一步深化材料骨诱导作用及其分子机理的认识，并将其推进到材料对非骨组织的诱导作用研究。深入了解各种材料学因素对细胞行为及细胞基因表达影响的定性、定量关系，探讨其规律和分子机制，综合不同侧面的研究形成材料诱导组织形成的理论雏形及设计原理，保持我国在组织诱导性生物材料研究方面的国际领先地位，为生物材料科学的发展做出意义重大的贡献，并为本世纪新一代生物医用材料产业的形成奠定科学基础。