Complex Nanocomposites for Bone Regeneration

用于骨再生的复杂纳米复合材料

基本信息

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): This Bioengineering Research Partnership proposal is submitted by a multidisciplinary collaboration of scientists in the University of California (UC) system. The lead institution is Lawrence Berkeley National Laboratory, with component groups at UC Berkeley and UC San Francisco campuses. This BRP brings together expertise in materials sciences, chemistry, biology, and dental/medical science to begin the translational phase of this project. Our goal is to develop biomaterials for tissue engineering that will eliminate surgical risks and allow immediate return of function. We will develop and test new implant materials that can support mesenchymal stem cells and bone regeneration, by combining biomimetics with radically new design philosophies that consider anatomic and functional needs, customizing the scaffold to the skeletal defect. The ultimate goal is to develop a range of osteoinductive implant materials or scaffolds that function harmoniously with the surrounding native tissue. This long-term goal will provide materials for optimal repair of craniofacial and orthopedic skeletal defects that would otherwise require a bone graft from a second surgical site. First, hydrogels with varying mechanical responses and biodegradation rates will be synthesized. Different functional groups will be added to the hydrogel structure to template biomimetic mineralization of apatite and other biominerals-and to promote cell adhesion. Second, these materials, and others already developed for our current grant, will be used in the preparation of scaffolds with various compositions and architectures, including anatomically-inspired designs that considers both cortical and cancellous functional anatomy made by robocasting (3-D printing) and lamellar structures prepared using a novel technology developed in our laboratory based on freeze-casting of suspensions. Third, the addition of diverse functional capabilities to these porous scaffolds will be systematically explored. Materials deemed to display optimal mechanical responses will be tested in cell culture and then in vivo in mice, using standardized bone formation assays that allow assessment of the rate and extent of new bone formation. Based on these results, we will select scaffolds that have the greatest translational potential. These will be tested in combination with autologous multipotent stem cells for the ability to promote bone formation in established medium-sized (rabbit) and large-sized (mini-pig) animal models utilizing a consistent protocol of biomechanical and biological assays that will also serve to asses key biological process that determine scaffold integration. Successful completion of these studies will result in the identification of new materials suitable for testing for the repair of craniofacial and orthopedic skeletal defects in humans. The present standard of care for such defects may be altered to eliminate bone grafts, decrease risks to patients, improve quality of life, and increase the armamentarium of the clinician. PUBLIC HEALTH RELEVANCE: The demand for biomaterials to assist or replace organ functions is rapidly increasing. Every year, more than one million patients in the United States with skeletal defects require bone graft procedures. This application will develop novel biomaterials for optimal repair of craniofacial and orthopedic skeletal defects that would otherwise require a bone graft from a second surgical site. Improvement of implants will result in improved health and quality of life for the millions of people who will need implants in the future.
描述(由申请人提供):该生物工程研究合作伙伴建议是由加利福尼亚大学(UC)系统的科学家的多学科合作提交的。领先机构是劳伦斯·伯克利国家实验室,在加州大学伯克利分校和加州大学旧金山加州大学校园的组成部分。该BRP汇集了材料科学,化学,生物学和牙科/医学科学方面的专业知识,以开始该项目的转化阶段。我们的目标是开发组织工程的生物材料,以消除外科手术风险并立即恢复功能。我们将开发和测试可以通过将仿生材料与全新的设计理念相结合,这些植入物可以支持间充质干细胞和骨再生,这些新设计理念考虑了解剖和功能需求,从而将脚手架定制为骨骼缺陷。最终目标是开发一系列与周围天然组织和谐起作用的骨诱导植入物材料或脚手架。这个长期目标将提供材料,以最佳修复颅面和骨科骨骼缺陷,否则这些缺陷否则需要从第二个手术部位进行骨移植。首先,将合成具有不同机械响应和生物降解速率的水凝胶。不同的官能团将被添加到磷灰石和其他生物矿物质的模板仿生矿化中的水凝胶结构中,并促进细胞粘附。其次,这些材料以及已经为我们目前的赠款开发的其他材料将用于制备具有各种组成和架构的脚手架,包括在解剖学上启发的设计,这些设计考虑了由Robocasting(3-D打印)和使用基于我们实验室的新型技术制成的新型技术,这些设计既是由Robocasting(3-D打印)制造的皮质功能和进行解剖学,并进行了开发,这些设计是由Robocasting(3-D打印)制成的。第三,将系统地探索这些多孔脚手架的各种功能能力。使用标准化的骨形成测定法,将在细胞培养中测试被认为显示最佳机械反应的材料,然后在小鼠中进行体内测试,以评估新骨形成的速率和程度。基于这些结果,我们将选择具有最大翻译潜力的脚手架。这些将与自体多能干细胞结合使用,以便利用一致的生物力学和生物学测定方案来促进已建立的中等大小(兔)和大尺寸(迷你铅)动物模型的骨骼形成,这些模型也将用于评估确定造成积分的关键生物学过程。这些研究的成功完成将导致鉴定适合于人类颅面和骨科骨骼缺陷修复的新材料。目前对此类缺陷的护理标准可能会改变以消除骨移植物,降低患者的风险,改善生活质量并增加临床医生的武器库。公共卫生相关性:对生物材料协助或替换器官功能的需求正在迅速增加。每年,美国有骨骼缺陷的一百万患者需要骨移植手术。该应用将开发出新的生物材料,以最佳修复颅面和骨科骨骼缺陷,否则这些缺陷否则需要从第二个手术部位进行骨移植。植入物的改善将改善未来需要植入物的数百万人的健康和生活质量。

项目成果

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