[01211026]生物降解高分子材料多层次微结构的调控及其生物医学功能构筑

生物医用高分子材料是生物医用材料的一个极其重要的分支,是一类用于诊断、治疗、修复或替换人体组织、器官或增进其功能的高技术材料,涉及亿万人的健康。生物医用高分子材料的结构将影响并决定其生物医学功能,深入认识与了解高分子的多层次微结构与生物医学功能之间的关系与规律,已成为构筑适应/满足临床需求的生物医学功能的关键科学问题。 本成果受国家973计划项目、国家自然科学基金重点项目,以及国家七五重点科技攻关项目支持。历时20多年,以生物降解聚酯高分子材料的降解为研究切入点,深入探讨了不同条件下的降解行为及机理,开创性地提出了调控生物降解高分子材料的分子/链/聚集态结构及表面微/纳米结构等多层次微结构以构筑系列生物医学新/多功能的学术思路,从线型聚酯类高分子到三维结构的肽类树状大分子展开了一系列开创性研究,建立了可控合成、选择性功能化及仿生自组装的新技术与新方法,揭示了高分子材料的多层次微结构调控与生物医学功能构筑的关系与规律,从材料学的角度为高性能生物医学功能的构建提供结构设计的科学基础和理论依据,推动了生物医用高分子材料的发展。主要科学发现点如下。 1.建立了脂肪族聚酯高分子的降解模型,发现并确证了水解降解过程中存在自催化作用,揭示了酶存在下聚酯高分子的降解规律;提出了从聚酯共聚物多层次结构调控以构筑材料生物医学功能的创新学术思路,发现了高分子材料的分子/链结构与药物释放功能的关系和规律,成功构筑了生物降解高分子基质型载药系统的恒速释药功能,突破了以往无法实现长效恒速释药的传统观念,为发展生物降解聚酯高分子材料及基质型恒速释药系统提供了科学基础和理论支撑。 2.提出了调控高分子材料本体及表面的分子/微结构构建细胞微环境响应性功能的创新策略;创立了高分子量多嵌段共聚物及其共聚组成精确调控的方法,以及材料表面微/纳米岛凸状规整陈列、胶原锚定等先进技术与方法;发现了共聚物中特定链段触发细胞微环境响应性的分子开关效应,以及材料本体嵌入适度的亲水链段,或是材料表面的拓扑结构、特定分子等能显著提高聚酯共聚物的细胞亲和性;揭示了材料多层次微结构与细胞微环境响应性的调控机制,为发展细胞微环境响应性功能的高分子材料提供理论基础与技术支撑。 3.该项目把线型聚酯类高分子的研究拓展到三维结构的肽类树状大分子（PD）。提出了调控PD分子结构、链结构、外围功能团结构、聚集态结构等以构筑系列生物医学新/多功能的学术思路;于国际上率先建立了用“点击化学”可控合成结构规整的高代数肽类树状大分子（PD）、表面含多官能团的无机纳米粒为核可控合成PD,及其选择性多功能化PD的新技术和新方法;发现了PD的多价特征、纳米效应及特定外围功能基团可显著提高MRI分子探针的主动靶向、血液长循环、成像效能、靶组织信号强度与持续时间,以及载药系统对靶细胞微环境的响应性;揭示了PD分子/链结构及其序列分布与基因转染效率和生物安全性之间的关系与规律;发现了PD与特定端基的线型多肽能发生“协同自组装”现象,实现了聚集态结构的调控,构建了可控形态和生物学功能的仿病毒多肽聚集体;为发展新一代肽类树状大分子生物医用高分子材料提供了科学基础和新设计理念与思路。 研究成果已在Angew.Chem.Int.Ed.、Biomaterials,J.Control.Release,Macromolecules等国际权威期刊发表SCI论文近200篇,其中生物材料领域顶级期刊Biomaterials（IF:8.312）30余篇;获授权中国发明专利20余项;自2000年以来,本成果相关内容的国际大会特邀及邀请报告50余次。得到了美国工程院院士、国际生物材料科学与工程学会联合会主席N.A.Peppas教授,美国工程院院士、麻省理工学院（MIT）L.G.Griffith教授,澳大利亚科学院院士、技术科学和工程院院士G.G.Wallace教授等国际著名专家的高度评价。