[01076461]纳米陶瓷人工骨的激光微纳制造与诱导成骨分化的理论与方法

该项目属机械工程学科“微纳制造”领域。中国每年需进行骨移植的患者超过350万例，而常用的人造骨只能起到功能替代的作用，无法实现受损后自我修复。尽管生物陶瓷因生物学性能优异被认为是最有潜力的骨修复材料，但采用常规制造工艺难以实现陶瓷人工骨成型过程中微纳结构的控制，更难以实现成骨分化的诱导作用。该团队由机械、材料、医学等学科科研人员组成，在国家自然科学基金(5项)〗、“973计划”等项目的支持下，开展降解可控的多孔人工骨支架结构设计和精细制造及与之对应的诱导成骨的机理研究，构建了具有自我修复功能的纳米晶粒陶瓷人工骨的激光微纳制造理论与方法，主要科学发现如下：提出了激光成型制备纳米陶瓷人工骨的新方法，揭示了陶瓷纳米晶粒的形成与调控规律，设计了使纳米晶粒快速致密化的多元组份，集成创新研制出能实现材料微纳结构演变及控制的纳米陶瓷人工骨制造的成套装备；创立了维持纳米第二相稳定的新工艺，揭示了复合陶瓷中的细化晶粒、钉扎作用等增强补韧机制，建立了陶瓷人工骨的强韧化体系，实现了与人体组织功能所需力学性能相匹配的陶瓷人工骨可控制备；探明了满足骨修复要求的多级微孔结构及其在诱导成骨分化中的作用，提出了利用激光烧结、聚合物去除和选择性腐蚀等工艺形成微孔结构的理论与方法，构建了人工骨从纳米、亚微米到微米尺度的多孔仿生形貌；揭示了人工骨的生物学性能对物相组成、微孔结构的响应机制，建立了基于陶瓷组分调节实现材料降解速率可控的方法，查明了材料降解和新骨形成的动态过程；在所制备的骨支架上，利用基因重组技术实现了干细胞同步定向诱导成骨化和血管化，揭示了纳米陶瓷人工骨、干细胞和微环境对骨再生修复的协同调控机制。上述成果共发表论文209篇（SCI收录113篇、EI收录96篇、Google引用1220次，SCI他引528次)；应邀做国际学术大会特邀报告14次。20篇代表性论文发表在J Biomed Nanotechnol(IF：7.578)、Acta Biomater(IF：5.684)、Biofabrication(IF：4.302,2篇)、Nanotechnology(IF：3.672)等权威期刊上，总影响因子65.301，SCI他引96次。研究成果被Adv Mater(IF：15.409)、Adv Drug Deliver Rev(IF：12.707)等引用，澳大利亚工程院院士Liangchi Zhang在权威期刊Mater Design中连续引用该项目4篇论文，美国University of Arkansas的纳米技术研究中心主任Zoraida Aguilar在《Nanomaterials for Medical Applications》一书中大篇幅全段引述了申请人自行设计制备的纳米陶瓷人工骨，并指出“具有很大应用潜力”。成果“激光与材料的相互作用机理”在国家自然科学基金重点项目(50235040)结题验收时被认为有突出的创新性和学术价值，被评为优秀。成果丰富与发展了微纳制造理论，共培养长江学者1人、全国百篇优秀博士学位论文1人、国家优青1人、霍英东教师基金1人和省部级杰出人才6人，促进了机械、材料、医学等学科交叉研究，为该省乃至全国骨科生物医用材料产业发展奠定了理论基础，自2009年以来已移植实验用骨支架300多个，综合评价良好。