昆明理工大学生物功能材料创新团队

更新日期:2015-1-4 9:43:26

   昆明理工大学生物功能材料创新团队主要从事硬骨、软骨和皮肤修复材料的基础研究和应用开发研究,目前已与成都军区昆明总医院、昆明医学院附属第二医院、昆华医院、意大利玻利维亚骨科研究所开展了长期深入的合作。团队负责人为陈庆华教授,目前拥有骨干成员6名,其中博士生导师1名,硕士生导师3名。团队成员有:陈庆华、黄明华、颜廷亭、冷崇燕、陈希亮、孙俊赛。
   团队拥有材料制备、检测的常规仪器设备,还建设成立细胞培养实验室,用于材料的细胞毒性、生物相容性等的分析和检测。团队成员已发表学术论文100余篇,申请专利30余项,获批专利10余项,在研项目经费200余万。


以下是本团队几个研究方向及研究成果的简单介绍:


1. 硬骨修复材料
1)硫酸钙基复合材料
硫酸钙被用于骨缺损处的填充和修复已有100多年的历史。1892年, Dreesman 首次将硫酸钙骨支架材料应用于临床医学填充骨组织缺损。1961年 Peltier 报道用硫酸钙骨支架材料填充骨缺损并成功的治疗了20例骨囊肿和骨髓炎患者,表明硫酸钙骨支架材料不仅具有优良的组织细胞相容性,而且不会对有感染的骨组织缺损产生不利影响。1995年,美国Wright医疗器械公司通过控制α—半水硫酸钙化合物晶粒的大小和形状,成功研制了医用外科级硫酸钙骨支架材料Osteoset,该产品为晶体大小和形状一致性的医用外科级α—半水硫酸钙,具有可控制的降解率,降解周期与骨组织的生长相一致的特点。该产品Osteoset已于1996年6月得到美国食品药物监督管理局(FDA)的批准,同年获得了欧洲CE标志。此后,这种材料已被上万的临床病例所验证,结果表明硫酸钙骨支架材料是安全和有效的骨组织工程支架材料。随后,美国Wright医疗器械公司又成功研制出了用于微创的可注射性的硫酸钙骨支架材料,注射入骨缺损区域,大约5分钟后开始固化,更便于临床的操作。目前我国骨缺损修复领域所用硫酸钙基材料,约90%以上采用美国Wright医疗器械公司的相关产品,因此将其国产化将具有极其广阔的市场前景。
本团队已成功开发出硫酸钙基骨修复材料,通过体外研究及动物植入实验研究,结果表明,我们所开发的材料的力学性能、降解性能及成骨活性均优于美国Wright医疗器械公司的相关产品。并且,我们已在实验室实现小批量生产,正探索规模化生产相关工艺。


 


2)羟基磷灰石基晶须材料
羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HA),具有与人体硬组织相似的无机成分,良好的生物活性,生物相容性和骨传导性,是一种理想的生物材料,被广泛的应用于生物医学领域。但其力学性能不足制约了自身的发展。目前,常用ZrO2、TiO2、金属和碳纳米管等作为第二增韧相提高材料的韧性,但这些增强相大多数具有生惰性,降低了材料的生物相容性和生物活性。而HA晶须具有优异的生物学性能,并能依靠晶须的桥接、裂纹偏转和拔出效应来吸收能量,消除裂纹尖端应力,并可通过负荷传递使应力作用于晶须,从而降低周围基体材料的应力,达到增强生物材料韧性的目的。
目前,本团队已成功开发出普通羟基磷灰石晶须(如图a所示)、超长羟基磷灰石晶须(如图b所示)及SiO2改性羟基磷灰石晶须(如图c所示)。以上产品,我们均已实现在实验室级别的公斤级量产,有望在生物功能材料领域及工程增韧领域得到生产应用。


3)β-TCP基骨修复用支架材料
β-Ca3(PO4)2(简称β-TCP)与人体骨骼无机成分相似,具有良好的理化性能,生物相容性和生物可降解性能,它们在生理环境中可被逐步分解或吸收,诱发骨的生长,并随之被新骨组织所代替,材料本身则转化为宿主有生命新生骨组织的一部分,或被代谢系统排出体外,最终使缺损的部位完全被新生的骨组织所取代,已被国内外诸多研究证实为一种很好的骨移植替代材料。
本团队已采用不同方法成功制备出β-TCP基骨修复用支架,支架材料具有良好的力学性能、生物降解性能及生物活性,有望于近期在硬骨修复领域得到临床验证应用。


4)纳米羟基磷灰石基复合材料
人体自然骨组织可以被看成一是种纳米复合材料,其力学性能源自它的有机和无机成分的有序矿化结构。无机相组成的主要成分是磷酸钙盐类即骨盐,约占整个骨重量的69%,主要以结晶羟基磷灰石的形式存在。有机物以胶原为主,约占骨重量的20%。以微纤维形式存在的胶原是骨的基质,也是骨具有良好韧性的主要原因。已有研究者成功制备出纳米羟基磷灰石和胶原蛋白的复合材料,但生物相容性不够理想。因此,需要研发新型的纳米羟基磷灰石基复合材料作为硬骨修复材料。
本团队已成功制备出纳米羟基磷灰石基复合材料(包括HA/胶原蛋白复合材料、HA/壳聚糖复合材料等),研究结果表明材料具有优异的力学性能、降解性能及生物相容性。下图左所示为多孔HA/胶原蛋白支架,右图为该支架的扫描电镜图片。


5)可降解金属镁基材料
镁及镁合金作为生物体内植入材料与目前临床常用的医用金属材料相比除具有可降解的优点之外,还具有以下主要优势:①镁是人体内含量最多的阳离子之一,几乎参与人体内所有的新陈代谢过程,参与多种蛋白质的合成,能激活体内多种酶,调节神经肌肉和中枢神经系统的活动,保障心肌正常收缩;日常生活中,男性每天应摄取2.2-5.0mmol镁,女性则需3.3-6.3mmol。②镁及镁合金的弹性模量约为45GPa,更接近人骨的弹性模量,能有效降低应力遮挡效应;镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3,与人骨密度(1.75g/cm3)接近,远低于目前临床广泛应用的Ti-6Al-4V的密度(4.47g/cm3),符合理想接骨板的要求。③镁资源极其丰富,地壳表层镁的储藏量占2.77%,海水中镁的含量为0.13%,因此镁的价格低廉,远低于目前临床常用的钛合金等医用金属材料。基于以上优势,金属镁及镁合金已成为目前研究及临床应用的热点材料,具有广阔的市场前景。
目前,本团队已成功开发出具有表面活性涂层的金属镁基生物医疗器件,包括:可降解金属镁骨修复用器件、可降解金属镁心血管支架及可降解金属镁基骨组织工程支架材料,有望将其市场化推广。


2. 软骨修复材料
1)椎间盘修复材料

下腰痛是当今社会中的一种常见疾病。在美国,仅次于上呼吸道感染而居第2 位,是导致劳动力丧失的主要原因之一。随着我国老龄化进程的发展,椎间盘退变性疾病越来越成为严重影响人们工作生活的疾病。近年来的同种异体椎间盘移植和人工椎间盘置换虽然展现出良好的应用前景,然而与这些技术相关的许多并发症和缺陷依然需要克服,远期效果尚难以令人满意。近年来随着组织工程学的迅速发展,使得外科学进入“再生修复”时代。组织工程化椎间盘有望重建退变椎间盘的功能,为退行性椎间盘疾病开辟了一条崭新的生物治疗之路。
本团队构建了包含有纤维环和髓核两部分、全新的组织工程化椎间盘支架材料。制成了由KGM基复合多孔材料构成的人造髓核支架以及KGM基纤维环组织工程支架。分析测试结果表明,组织工程复合椎间盘具有与天然椎间盘相似的组织形态和力学特性,为组织工程椎间盘的临床应用提供了一种可能。下图左为本团队制备的椎间盘纤维环支架,右为该支架的扫描电镜图片。


2)静电纺丝法制备的三维多孔支架材料
静电纺丝制备的纳米微米纤维具有比表面积大、大表面积、不规则的外表等特点,因此可以用在模版、过滤薄膜、催化剂载体、纳米增强膜和组织工程学。在生物医用材料方面,纺丝纳米纤维可以用于组织工程、人造血管、组织修复、伤口敷料、药物载体等方面,具有比表面积高、孔隙率高等特点。
本团队采用静电纺丝法制备了KGM基复合多孔支架材料,该材料有望作为组织工程支架材料用于人的软骨修复。下图左为本团队制备的KGM多孔支架,右为KGM/SH复合多孔支架。


3. 皮肤修复材料
皮肤作为问题最大的组织,是与外界环境接触的屏障。当由于外界损伤或疾病等原因造成皮肤缺损时,其危害可以是轻微的,也可以是致命的。传统修复方法有:自体植皮、同种异体植皮、异种植皮和人工合成代用品的应用。但由于供区不足、免疫排斥及传播疾病等缺点,寻找一种理想的皮肤替代物一直是临床上一个亟待解决的难题。
目前本团队研究的皮肤材料包括CMC/CS/PVP,CMC/CS/SH等混合膜材料,静电纺丝KGM/CS载药微球,KGM/CMC缝合线等。这些材料的研究和制备,将给患者提供更多的材料选择,使皮肤材料研究的相关理论更加详实和完善。

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