项目名称：    Ca-P生物材料的骨诱导性及其机理研究

推荐单位：    四川省

项目简介：    基于项目组1990年的实验发现:一定的无机磷酸钙陶瓷可以诱导骨形成。一般认为，无生物活性物质的生物材料不可能诱导组织再生，通常是在材料中外加生长因子或体外培养细胞，赋予材料这种功能。本项目将不同Ca-P材料植入不同种系动物非骨位置，通过成骨过程的组织形态学研究和统计分析，特征蛋白和基因表达，以及新骨的组成和结构分析，确证了这一发现，并证明Ca-P陶瓷诱导成骨属正常的膜内成骨，与动物种系和材料学因素相关；进一步揭示:诱发材料（不仅是CaP材料）骨诱导作用的材料学因素是：一定的三维多孔和表面结构，以及材料表面类骨磷灰石层的形成，提出通过材料自身优化设计赋予其骨诱导性的普适性原理；通过细胞形态、以及结构和功能的超结构分析，发现：骨发生必须的间充质细胞，可来自长入材料孔隙的纤维结缔组织；成骨必须的骨诱导信号分子--骨形态发生蛋白（BMPs）可来自材料孔壁对体内本征BMP的富集，以及刺激长入孔隙的非骨细胞分泌，材料的骨诱导作用是贯穿整个成骨过程的多种骨生长因子综合作用的结果；提出了材料骨诱导机理假说；评价了材料骨诱导作用的生物安全性和临床应用前景，证明骨诱导材料植入骨内可诱导骨再生，并最终重建被损坏的骨，促进骨早日康复。形成生物材料骨诱导理论雏型，整套研究模型和方法；首创骨诱导人工骨并用于临床，获SFDA市场准入。

200余种国际刊著引用了发表的论文，SCI收录论文100余篇并他引840余次，获教育部一等奖和总后二等奖。目前的研究已扩展到材料对其它组织的诱导性。以本项目为重要基础，2005年科技部启动了973项目"组织诱导性生物医用材料的基础研究"，三次世界生物材料大会（2000、2004、2008年）及多个国际会议均列有专题讨论；10余个国家学者跟踪研究；973验收评价："我国生物材料科学的一项标志性成果，属国际领先"。国家多个科技计划指南将骨诱导性列为骨修复材料的一个基本要求。为开拓发展新一代生物材料新途径奠定了基础。

主要发现点：  1. 发现不含活性生物物质的、无生命的多孔羟基磷灰石陶瓷，以及其它磷酸钙陶瓷和Ca-P材料可诱导骨形成[1，11-14]。通过植入动物非骨部位的陶瓷成骨过程中出现的细胞及细胞分化过程的组织形态学研究和统计分析[2，3，15]，基因和特征蛋白的表达及其mRNA半定量分析[4，5，16-18]，以及新骨的组成、结构分析[19，20]，首次系统和较完整地确证了此发现，并证明材料诱导骨形成属正常的膜内成骨。同时发现，其诱导成骨作用与材料学因素[6，12-14] 和动物种系相关 [7，21-23]。（对应学科：4304010）

2. 发现并证明：磷酸钙陶瓷诱导骨形成必须的骨诱导信号分子可来自于陶瓷孔壁对体内内源性骨诱导信号分子（如BMPs）的富集，以及刺激长入孔隙的非骨细胞的分泌[4，24，25]，材料对体内蛋白的吸附谱受其组成及结构影响。通过新骨形成前细胞特异性染色，形态、结构及功能的电子显微镜分析，发现陶瓷成骨必须的间充质细胞来自机体长入陶瓷孔隙的纤维结缔组织[26，27]。（对应学科：4304010）

3. 提出和证明了：诱发材料骨诱导作用的材料学因素是：适当的三维和表面多孔结构[3，4，8，28，29]和表面类骨磷灰石层的形成[8，26，30-33]；发现此规律具有普遍性，即适用于即使是典型的生物惰性陶瓷和金属材料[26，34-36]。（对应学科：4304010）

4. 基于上述发现，从间充质细胞和骨诱导信号分子来源，适于成骨的三维多孔结构，提出生物材料骨诱导作用的机理假说[6，9，26，37]，探索了陶瓷富集骨生长因子的机理[4]。（对应学科：4304010）

5. 首次系统证明生物材料骨诱导作用是生物安全的，可促进新骨形成，加速骨康复，并随着材料缓慢降解，最终可为新骨所替换[9，38-41]。基于此点，提出"体内骨组织工程"新途径[10，42]，即利用骨诱导人工骨的骨诱导性，将材料先植入体内非骨位置，体内培养骨组织细胞，然后再移植到骨缺损部位，试验表明可加速骨康复，避免通常骨组织工程对体外培养骨组织细胞的苛刻要求。同时证明骨诱导磷酸钙陶瓷是优良的骨生长因子载体[43]。发现特征蛋白表达的时序及水平有可能作为评价材料生物相容性的标记[16，17，40]。（对应学科：4304010）

6. 首创骨诱导人工骨，获国家药监局生产注册证，并首先将其用于临床，疗效显著[44]。（对应学科：4304010）

主要完成人：  1.   张兴栋

973和国家自然科学基金重大项目本课题负责人。本成果学术观点提出人。负责本项目总体规划、技术路线、研究方案制定并实施。

于国际同期独立发现磷酸钙陶瓷骨诱导现象；提出在细胞和分子水平上确证其骨诱导性，研究骨诱导作用的机理，探索诱发材料骨诱导作用的因素，以及评价生物相容性及临床应用潜力的技术路线和方案；指导研究和实验工作，汇总实验结果，提炼上升为学术观点和理论；主持和组织两次世界生物材料大会的专题研讨会，提出组织诱导生物材料的概念；对项目完成和成果取得了决定性作用。投入项目工作量60%。

2.   袁惠品

系统地完成不同钙磷和非钙磷材料不同动物种系的骨诱导过程中细胞分化的组织形态学研究；确证多孔Ca-P陶瓷可以富集本征骨形态发生蛋白达到骨诱导成骨的阈值，并为骨诱导作用所必须；实验证明骨诱导多孔磷酸钙陶瓷是骨形态发生蛋白的优良载体；实验评价骨诱导作用能诱导骨再生，加速骨康复。发表论文20余篇 ，在重要国际会议上报告20余次，对项目完成起了关键作用，对研究成果能为国际接受起了重要作用，并进一步发现材料可诱导软骨形成，对促进扩大材料骨诱导性研究到对其它组织诱导性研究起了重要作用。投入项目工作量80%。

3.   范红松

利用体外和体内试验，通过对磷酸钙陶瓷表面/界面及其形成、表征和行为的研究，探讨了材料表面/界面形成、特征与材料自身材料学因素和生物学因素的关系；与材料生物学性能相关的表面/界面特征及其与材料骨诱导性的关系，为Ca-P生物陶瓷材料骨诱导性的机理研究和优化设计提供了基础。负责并共同完成骨诱导过程中材料学因素与骨相关细胞特征蛋白/基因表型表达的关系研究，提出材料通过影响成骨细胞相关基因的表达影响其骨诱导性。负责骨诱导材料的优化设计和制备工艺研究，在理论研究基础上设计并制备第一批骨诱导材料及制品并取得国家食品药品监督管理局生产注册证，取得良好效果。投入项目工作量80%。

4.   张聪

系统地完成了骨诱导人工骨临床前的动物实验和临床试验，提供了“体内骨组织工程”的实验基础，以完成的博士论文为题，获中国人民解放军总后医疗成果二等奖。投入项目工作量80%。

5.   屈树新

利用透射电镜及X-光能量散射微探针，从细胞形态、结构和功能分析确证了可向骨组织细胞分化的间充质细胞的存在，及其向骨母细胞、成骨细胞分化的相伴随的胶原和磷酸钙的分泌及骨基质形成过程；对新生骨组织/磷酸钙植入体界面的超微结构分析，从骨组织的组成提供了磷酸钙骨诱导的整句，证明了新生骨组织可通过磷酸钙微晶的胶原纤维沉积形成；利用免疫组化方法，研究了磷酸钙骨诱导过程中I型胶原及骨涎蛋白的表达；证明了骨诱导过程中生物化学信号分子之一来自材料刺激非骨细胞的分泌。投入项目工作量80%。

10篇代表性论文：  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