項目組在體外做出了圖示的人骨的納米有序結構。圖中的小圓柱是膠原蛋白，直徑為1.5納米；黑點是納米晶磷酸鈣。圖中英文：mineralizedcollagenfibers（礦化膠原纖維），polycrystalofnano-HA(納米羥基磷灰石的多晶體)。
●學生記者 吳婷婷
骨作為人體最大的組織器官，承擔著生命活動的重要職責，卻最容易引起缺損，每年有數百萬的骨組織缺損患者需要接受手術治療。在我國這樣一個人口大國，據估計，每年因交通事故和生產安全事故所致創(chuàng)傷骨折、脊柱退行性疾病及骨腫瘤、骨結核等骨科疾病，造成骨缺損或功能障礙患者超過 300萬人。骨移植已成為僅次于輸血的需求量最大的移植物。如何才能破解人骨“密碼”，怎樣找到更多更好的骨組織再生修復材料，為人類修補生命再創(chuàng)健康，已成為全世界眾多科學家共同的追求和孜孜不倦研究的動力。
歷經十多年的探索與追尋，由我校材料系崔福齋教授帶領的研究團隊終于在人骨修復材料領域取得了突破性的成果，不僅破譯了人骨的組裝 “密碼”，而且其研究成果在臨床應用中取得了良好的治療效果，讓人類“斷骨再生”夢想成真！
團隊主要研究了膠原分子的自組裝與調控鈣磷鹽晶體生長的機理，并研究了人類骨痂的分級結構。在此基礎上，根據仿生的思路，在體外模擬生物礦化和自組裝過程，發(fā)明了納米晶磷酸鈣膠原基骨修復材料。材料的孔隙率約為80%，空隙大小主要分布在 100～400微米。X射線衍射、原子力顯微鏡和高分辨率透射電鏡研究結果表明，材料中羥基磷灰石晶粒尺寸約為 30納米，生長在膠原纖維間隙，而且羥基磷灰石晶體的 c軸擇優(yōu)取向與膠原纖維軸向平行，這些特征與天然人骨的成分和納米結構相同。納米晶磷酸鈣膠原基骨修復材料是國內外首次在體外人工合成出的具有與天然人骨成分和納米結構相同的人工基骨修復材料，具有我國自主知識產權，是生物材料領域的原始創(chuàng)新，開辟了一條用自組裝制備生物材料的新途徑。2008年12月，“納米晶磷酸鈣膠原基骨修復材料”獲2008年度國家技術發(fā)明獎二等獎。
破譯人骨生長“密碼”
1996年，崔福齋在與中國人民解放軍總醫(yī)院骨科主任王繼芳教授的交流中得知，現在國內外的骨缺損治療存在一系列問題，其中最重要的就是骨移植材料質量低，在臨床應用中存在很多障礙。崔福齋當即意識到該領域研究的重要性和急迫性，決心進行深入探索，希望能在骨組織領域開辟出新天地，為患者帶來新的曙光。
在當時，骨缺損的治療大致可分為自體骨、異體骨、異種骨和人工骨移植，以及近年來倍受關注的組織工程骨移植。其中，自體骨移植是臨床上使用最多、效果最好的方法，遺憾的是，它是一種以犧牲健康部位骨組織為代價的“以傷治傷”的手段，會對患者的供骨區(qū)造成新的缺損，且來源也十分有限。采用同種異體骨或異種異體骨移植，盡管克服了自體骨移植的弊端，但在臨床上尚不能完全克服移植后的免疫反應，給患者帶來了一定的痛苦。
有鑒于此，崔福齋產生了這樣的想法：既然自體骨的修復效果是最好的，那么，我們能否通過體外人工合成的方法制備出理想的人工骨修復材料？在李恒德院士“做材料研究要向自然界學習”的理念影響下，崔福齋提出了人工骨合成仿生思路，即模仿人骨的形成過程，制備成分、結構和功能與人骨相似的仿生骨再生修復材料，使骨修復效果接近人體骨的修復效果。
要做出一種新材料，就必須了解該材料在分子水平的組裝規(guī)則。但團隊成員在查閱了大量相關文獻后發(fā)現，由于醫(yī)學、生物學與材料科學的研究方法和重點不同，國內外基本尚不清楚“骨在分子水平上到底是如何組裝的”。由此，他們只能從最基礎的骨成分、結構和生長機理等方面進行探索。
崔福齋帶領三位博士生開始了艱巨的探索旅程。他們在中日友好醫(yī)院骨科大夫的幫助下，拿到了病人骨折創(chuàng)傷后形成的骨痂樣本。借助校內已有的國際上最先進的電子顯微鏡、原子力顯微鏡等手段，經過兩年多的系統(tǒng)鉆研，終于弄清了天然骨的成分和復雜而有序的分級結構，揭開了它的神秘面紗，破譯了人骨組裝結構的“密碼”，了解到人骨的基本單元是包括納米尺度上的結構有序的磷酸鈣礦化的膠原蛋白。三位博 士 生 在 JournalofStructuralBiology（《結構生物學雜志》）等國際期刊上發(fā)表了多篇重要論文。
體外人工合成“天然骨”
科研的歷程，就是剛攀過一座高峰，馬上又向下一座高峰進發(fā)。
明確了人骨的分級結構，但如何制備又成為一個難題，因為傳統(tǒng)的材料工藝不可能制備出這種材料：一方面，鈣磷鹽生物陶瓷材料制備需要高溫；另一方面，膠原蛋白在70℃以上卻又會分解失活。該合成涉及在分子水平上對礦物晶體形核與長大的精細調節(jié)，以及有機與無機組元的微組裝，困難重重。
雖然仿生的思路很明確，但是要在體外模擬生物礦化和自組裝，其具體的PH值、濃度、溫度等的設定卻完全是未知的奧秘。探索這一奧秘的過程是艱辛的，但它同時也給團隊成員們帶來了無窮樂趣?！拔覀冏隽顺汕先f次實驗，才真正破譯了它的機理和參數，在國內外首次體外人工合成具有與人骨成分和納米有序結構相同的骨材料！多項專利在中國、美國得到授權?！贝薷｝S自豪地說。
神奇的是，這種骨修復材料不僅與天然人骨高度相似，而且可以做成多種形狀。其力學性能與人松質骨接近，具有良好的可塑性，醫(yī)生可根據手術中的要求將其修成各種外形，讓人工骨與天然骨連接得“天衣無縫”。
2002年，團隊完成了在兔子和狗身上進行的長骨、顱骨、頜骨、脊椎骨的大量修復實驗。實驗證明，該材料作為修復材料具有安全有效性。同年冬天，令所有團隊成員激動的是，經過不斷努力和改進，這種骨修復材料終于經國家藥品監(jiān)督管理局批準，允許進入臨床試驗，他們看到了“斷骨再生”夢想的曙光！
2004年春夏之交，經過 1年 4個月、近300例的人體臨床實驗，納米人工骨獲得國家食品藥品監(jiān)督管理局的三類植入產品生產注冊證，成為我國首個可以在市場上公開銷售和應用的納米醫(yī)藥產品。國際著名期刊NatureMaterials（《自然：材料分刊》）在專文評論中對該成果給予了高度評價。
產業(yè)化前景廣闊
從實驗室到市場，從研發(fā)到產業(yè)化，這又是一個充滿挑戰(zhàn)的過程。盡管作為國家“863計劃”項目之一，有一定的資金支持，但要把專利應用到產品開發(fā)中，這一轉化過程還需要投入大量的人力物力資源。崔福齋坦言：“在研發(fā)最困難的階段，我從自己的積蓄中拿出十多萬元投入項目運行，終于渡過難關?！?br> 功夫不負有心人。由于納米晶磷酸鈣膠原基骨修復材料在科技含量上具有優(yōu)勢，價格又低于國外骨修復產品，可謂“物美價廉”,因此具有較強的市場競爭力。目前，納米晶磷酸鈣膠原基骨修復材料已在中關村生物醫(yī)藥園建成規(guī)?；纳a線，擁有300平方米的超凈車間和大型微機數字控制凍干機，生產能力達到年產量50千克。迄今，納米晶磷酸鈣膠原基骨修復材料已在國內五十幾家醫(yī)院成功臨床應用逾兩萬例，使用過該材料的骨科大夫反映其效果非常接近自體骨。
據介紹，納米晶磷酸鈣膠原基骨修復材料主要應用在七大方面：四肢各類閉合性骨折骨缺損修復或難愈合部位骨折或開放性骨折骨缺損的二期修復；骨折延遲愈合、不愈合或畸形愈合；脊柱椎體間、橫突間或椎板間植骨融合；各類解雇矯形植骨融合；良性骨腫瘤或瘤樣病變切除后骨缺損修復；人工關節(jié)置換或翻修術中骨缺損的修復；整形外科和口腔科需要植骨填充的骨性缺損。如此廣泛的應用范圍，可創(chuàng)造巨大的經濟和社會效益，推動我國骨性缺損醫(yī)療技術水平的進步。
共同追夢，夢就不遠
13載春 夏秋 冬，5000多次日出日落，幾十位勇于追夢敢于奉獻的科研工作者，在通往夢想的道路上走過一個又一個“驛站”。盡管在這個團隊中，既有年近花甲的老教授，也有剛剛步入科學殿堂的年輕人，但他們都是科研道路上充滿朝氣的“青年”。有一個共同的夢想，就一起奮斗一起努力，用智慧與汗水澆灌生命的花朵。
崔 福 齋 介 紹 說 ：“我們的團隊來源廣泛、人才濟濟，其中有在我國材料領域最早倡導 ‘向自然界學習’的李恒德院士，有骨科權威醫(yī)生王繼芳，還有年輕的北大骨科博士、清華材料系博士后俞興。值得一提的是，現為北京東直門醫(yī)院骨科副主任的俞興親手做了我們骨材料植入人體的第一例臨床手術，并獲成功。大家取長補短，一起工作。挫折總是暫時的，不斷克服困難才是我們的共同信念。”
榮譽面前，團隊成員并沒有止步不前：雖然這種修復材料與天然骨有很大的相似度，但他們的最新研究發(fā)現，人體骨中還有一些活體細胞和活體因子對骨組織生長起著重要的調節(jié)作用。他們希望通過更深入的研究進行進一步仿生，用到骨材料中去，這正是當前骨組織工程的前沿課題。
