青年科学家生物材料研讨会_高中生物中的科学家
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青年科学家生物材料研讨会
为了构建材料学与医学领域知识交汇的桥梁，创建多学科领域青年学者交流的平台，加强临床和基础研究第一线科学家的交流，纳米事业部特地邀请了包括温州医学院、华东理工大学、浙江大学、苏州大学、上海硅酸盐所和日本理化所在内的多位专家学者来宁波材料所交流访问，希望这次小规模的交流会能为中国生物材料的基础研究和产业发展开辟新视界。
会程安排
8月20日，宁波材料所A5会议室 8:30—9:00 报告人：付俊 研究员
单位：中国科学院宁波材料所 高分子材料事业部
报告题目：Low Wear and Super Tough Ultra High Molecular
Weight Polyethylene for Total Joint Implants 9:00—9:30 报告人：李华 研究员
单位：中国科学院宁波材料所 表面工程事业部 报告题目：典型生物材料与成骨细胞的相互作用 9:30—10:00 报告人：汪爱英 研究员
单位：中国科学院宁波材料所 表面工程事业部 报告题目：生物表面改性类金刚石涂层技术 10:00—10:30 报告人：彭磊 教授
单位：温州医学院附属第二医院骨科
报告题目：The Enhancement of Bone Formation with a Synthetic Matrix Containing Bone Morphogenetic Protein-2 by Calcium Citrate 10:30—11:00 报告人：靳喜海 研究员
单位：中国科学院上海硅酸盐研究所 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室 报告题目：纳米复相陶瓷的显微结构的设计与控制及性能优化 11:00—11:30 报告人：张名镇 研究员
单位：温州医学院先进材料与纳米生物技术研究所 报告题目：磷酸钙纳米复合颗粒作为小RNA载体
11:30—13:00 午餐
13:00—13:30 报告人：吴爱国 研究员
单位：中国科学院宁波材料所 纳米材料与器件事业部 报告题目：新型多功能造影剂的研究与开发 13:30—14:00 报告人：顾金楼 教授
单位：华东理工大学材料学院
报告题目：用于抗癌药物载体的介孔纳米粒子的研究 14:00—14:30 报告人：苟中入 教授
单位：浙江大学加州国际纳米技术研究院
报告题目：多形态磷酸钙纳米晶自组装及应用探索 14:30—15:00 报告人：李伟峰 教授
单位：苏州大学材料与化学化工学部
报告题目：阴极弧等离子沉积法制备生物活性ZrO2薄膜及其机理研究 15:00—15:30 报告人：王启刚 研究员 单位：日本理化研究所
报告题目：软物质凝胶生体模拟－类细胞结构和高弹性软骨材 15:30—16:00 报告人：黄庆 研究员
单位：中国科学院宁波材料所 功能材料与纳米器件事业部 报告题目：氮化硼纳米管材料的制备和复合材料研究 16:00—17:30 参观工研院成果展览室，纳米事业部部分实验室，表面事业部部分实验室 17:30-一串红酒店会餐
8:30—9:00 报告人：付俊 研究员
单位：中国科学院宁波材料所 高分子材料事业部
报告题目：Low Wear and Super Tough Ultra High Molecular
Weight Polyethylene for Total Joint Implants Abstract:
A major challenge of joint implants made of ultra high molecular weight polyethylene(UHMWPE)is wear and wear-related loosening and osteolysis.Radiation cro-linking has been widely used to imporve wear resistance while sacrificing the mechanical properties.The goal of this study was to create wear-resistant UHMWPE with improved strength and toughne.It was previously demonstrated that high temperature melting(HTM)of UHMWPE improved its toughne by inducing chain sciioning and enhancing the self-diffusion of the polymer chains acro granule boundaries without detrimentally affecting wear resistance.We hypothesized that radiation cro-linking after high temperature melting could further improve the wear resistance of UHMWPE, and the lo in the toughne by radiation cro-linking could be compensated by the increase in the toughne achieved by the high temperature melting prior to irradiation.We found that irradiated HTM UHMWPEs showed improved toughne due in part to the high temperature melting and also to the decreased cro-link density compared to UHMWPE irradiated without HTM.At a given cro-link density, cro-linked HTM UHMWPEs had higher wear resistance than radiation cro-linked UHMWPEs.Therefore, succeive HTM and radiation cro-linking strategy is promising to create UHMWPE materials with low wear and improved mechanical properties for total joint implants.9:00—9:30 报告人：李华 研究员 单位：中国科学院宁波材料所 表面工程事业部 报告题目：典型生物材料与成骨细胞的相互作用
Abstract:
A big variety of biomaterials have been succefully utilized as implant materials for promoting fixation of bony tiues.Different biomaterials exhibited markedly different proliferation rates of the osteoblast cells in vitro.Clarification of the mechanism about the attachment and proliferation/differentiation of the cells would contribute to selecting suitable biomaterials for hard tiue replacement.In this talk, a proteomics study on the osteoblast cells will be discued.This work employed the 2-dimensional electrophoresis aay with an aim of recognizing the changes in proteins after proliferation/differentiation of the cells on the nanostructured biomedical materials.Nanostructured hydroxyapatite(HA)and tiantina have been fabricated and they have shown promising mechanical performances.Results showed that the nanostructured materials promoted proliferation of the osteoblast cells.Alkaline phosphatase(ALP)aay revealed an increased ALP activity of the proliferated viable cells, and obviously the presence of the nanosized pores can enhance the anchoring and stretching of the cells.No obvious difference in the 2-D gel maps taken for the cells proliferated on the HA and for control can be found, while the features of the nanostructures, namely size and shape of the nano grains, affect the osteoblast behaviors.Further discuion will also be made on 3D reconstruction of proteins by single particle cryo-EM.9:30—10:00 报告人：汪爱英 研究员
单位：中国科学院宁波材料所 表面工程事业部 报告题目：生物表面改性类金刚石涂层技术
摘 要： 人体组织的高度敏感性、排异性和特殊性，对人体生物诊疗器件和组织、器官移植部件用的生物材料性能提出了苛刻要求。理想的生物材料不仅要与人体体液和周围组织有良好的生物惰性和相容性，而且应具备高硬度、低磨损、强抗蚀、光滑表面甚至自修复等功能。目前，钛合金、不锈钢、钴铬合金、超高分子聚合体（PTFE、PEEK等）等作为常用的生物材料，已广泛用于人工关节、心瓣膜、血管支架、口腔植入体等方面。然而，这些材料在短期和长期使用过程中都有一定不足，如耐磨耐蚀性降低、金属离子释放、毒化细胞等，这不仅导致植入部件失效，也给患者带来巨大疼痛和昂贵费用。目前，除了从块体生物新材料本身的探索和研究外，对传统生物材料表面进行高值化、多功能化的涂层改性处理是理想途径之一。
类金刚石涂层(diamond-like carbon, DLC)是一大类非晶碳膜材料的统称，不仅具有高硬度、低摩擦系数的优异机械和摩擦特性，同时具有优异的耐腐蚀性、生物相容性、血液相容性、光滑表面、及低温沉积的性能，因此，不仅在刀模具、微机电器件、磁盘、红外窗口等领域已得到广泛应用，作为一种理想的生物医学材料，目前已备受关注。在本报告中，我们将对DLC涂层的分类、结构、特性和制备方法进行介绍，并概述DLC涂层在生物医学领域方面的研究进展。同时，结合宁波材料所在DLC碳膜方面的工作开展，希望就生物方面的合作研究做进一步讨论。
10:00—10:30 报告人：彭磊 教授
单位：温州医学院附属第二医院骨科
报告题目：The Enhancement of Bone Formation with a Synthetic Matrix Containing Bone Morphogenetic Protein-2 by Calcium Citrate Purpose:
The aim of the present study was to test a synthetic matrix consisting of calcium citrate(C.C.)combined with recombinant human bone morphogenetic protein-2(rhBMP-2)whether enhanced bone regeneration or not compared with empty control sites rhBMP-2.Material and methods:
In each of 10 mice, one calcium citrate cylinders with rhBMP-2 or rhBMP-2 alone was implanted into the muscle pouches of the mouse thigh.The following two treatment modalities were randomly allocated:(1)empty control with rhBMP-2 alone in a gelatin matrix,(2)a combination of a gelatin matrix including calcium citrate(C.C.)recombined with BMP-2.After several weeks, the bone granules from the victim animals were obtained for histological analysis.For statistical analysis, repeated measures ANOVA and subsequent pairwise Student’s t-test were applied(P＜0.05).Results:
Histomorphometric analysis showed that the most newly formed bone area was the group which combined 10mg calcium citrate with 2mg rhBMP-2 of all the groups: 5mg, 15mg, 20mg, 40mg.An average area fraction of newly formed bone was 31.7±1.26% for the empty control, 48.2±2.37% for the C.C.combined with rhBMP-2 after 2 weeks, as well as 43.4±1.65% for empty control and 57.3±1.47% for C.C.combined with rhBMP-2 after 4 weeks, and 51.3±7.8% for empty control and 66.7±4.05% for C.C.combined with rhBMP-2 after 6 weeks.After 2 weeks, we observed mature cancellous bone had formed.Conclusions:
It is concluded that calcium citrate combined with rhBMP-2 significantly enhances bone regeneration in muscle when delivered by a synthetic matrix containing calcium citrate/gelatin(C.C./GL).This synthetic gelatin matrix containing C.C./GL granules apparently fullfills a number of criteria required for an ideal carrier system for rhBMP-2.The calcium ions that calcium citrate releases to the environment can activate the bone forming in the combination of C.C.and BMP-2 compared with rhBMP-2 alone.10:30—11:00 报告人：靳喜海 研究员
单位：中国科学院上海硅酸盐研究所 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室
报告题目：纳米复相陶瓷的显微结构的设计与控制及性能优化
摘 要： 纳米复相陶瓷因其卓越的性能而被广为关注，但纳米复相陶瓷的性能与纳米颗粒第二相在基体中的分布状态密切相关。如何精确控制纳米颗粒第二相在基体中的分布状态，实现材料性能的优化一直是纳米复相陶瓷研究的重点和难点。本报告将重点介绍几种对纳米颗粒第二相在基体的分布状态进行精确操控的方法，并结合我们实验室的一些具体工作说明其对纳米复相陶瓷显微结构和性能优化方面的重要作用。
11:00—11:30 报告人：张名镇 研究员
单位：温州医学院先进材料与纳米生物技术研究所 报告题目：磷酸钙纳米复合颗粒作为小RNA载体
摘 要： 在过去的几年里，以小RNA（或siRNA）为代表的基因干涉技术已引起了各国的高度重视。开发毒性低、靶向程度高、治疗效率高的siRNA载送体系已成为生物医用材料领域面临的重要挑战。运用超分子组装概念制备的具有纳米尺度的、可对生物环境智能响应的siRNA载送体系引起了各国科研人员的浓厚兴趣。
众所周知，磷酸钙具有生物相容性高、毒性低等优点，已广泛应用于组织修复及再生。但是，磷酸钙作为纳米基因载体，尤其siRNA载体，方面的报道还非常少。本报告将着重讨论磷酸钙-聚合物纳米复合颗粒作为siRNA载体的研究近况。同时，将介绍磷酸钙复合材料作为DNA载体的研究进展。
13:00—13:30 报告人：吴爱国 研究员
单位：中国科学院宁波材料所 纳米材料与器件事业部 报告题目：新型多功能造影剂的研究与开发
摘 要： 据美国Frost &Sullivan公司的调查报告显示，至2009年全球各类造影剂销售额已超过180亿美元，而且每年以6-8 %的速度在全球范围内增长。根据有关数据显示，在中国国内医药市场上，各种造影剂每年以25-30 %的速率递增。由于人口基数庞大，中国形成了巨大的潜在市场，国外的大型医药、医疗器械公司纷纷看好中国的造影剂市场。目前，绝大部分的造影剂依赖进口，价格昂贵，中国很少有自主知识产权。
在中科院宁波材料所我们研究组致力于以水溶性纳米粒子材料为基础，设计和构建同时具有医学造影和辅助性治疗双重功能的纳米粒子体系-构建新型多功能造影剂。我们希望经过一段时间的研究后，能够有效解决材料的水溶性、生物相容性等问题。我们将深入开展多功能造影剂的细胞生物学效应研究以及不同动物模型和临床前的测试研究，解决新型多功能造影剂在临床应用前的关键技术。有望为实现对癌症等重大疾病的早期诊断和治疗作出实质性贡献。为在造影剂市场上，早日出现更多更强的中国之声添一块砖加一片瓦。
13:30—14:00 报告人：顾金楼 教授
单位：华东理工大学材料学院
报告题目：用于抗癌药物载体的介孔纳米粒子的研究
摘 要： 世界范围内癌症的死亡率居高不下，成为人类健康的主要 “杀手”。虽然肿瘤化疗取得了相当的进步，然而肿瘤化疗药物具有很强肿瘤细胞杀伤作用的同时，对正常细胞也有很大的伤害，化疗时经常伴随很强的机体毒性。因此，使药物特异性地作用于肿瘤环境而降低对正常细胞和组织的伤害是解决这一问题的关键。开发具有癌环境响应性药物释放体系不仅具有传统药物释放系统的优点，对癌症的特异性治疗同样具有重要意义。
纳米技术通过开发具有靶向性的多功能药物传输体系，有助于实现肿瘤的靶向治疗，并将毒副作用降低到较低的水平。无定型的二氧化硅材料具有无毒性，生物相容性，热、化学稳定性以及不易受免疫系统攻击等特点，所以目前无定型的胶体SiO2和多孔SiO2在制药领域得到广泛应用。最近，有序介孔氧化硅材料由于具有均一的孔道、大的孔容和比表面积以及带有硅醇键、易于化学改性的孔道表面等优异的特性，使得这种材料在药物控释方面的应用引起了人们的重视。同时，介孔碳材料由于更好的生物相容性，在用作药物载体方面的应用也初见端倪。但总的来说，目前以介孔材料的有序孔道作为客体分子组装的主体，进行药物等生物大分子的组装研究还在探索阶段，而用做抗癌药物载体的研究更是少见。如果能将这种具有大的孔容，从而有大的负药量的载体用于癌症治疗领域，准确、有效地进行疾病治疗，同时又使药物的毒副作用减到最低，是人们十分希望的治疗途径，对癌症的特异治疗具有重要的意义。
首先，介孔材料的纳米化是其应用于抗癌药物载体的先决条件。由于足够小的纳米粒子能够从高通透性的肿瘤血管中渗出而能被正常组织屏蔽，因此容易进入肿瘤组织，集中在肿瘤周围，所以纳米级的介孔材料能够在癌环境聚集。其次，介孔材料表面生物配体的功能化是其对特定肿瘤细胞选择的动力。进行功能化生物配体的修饰，再利用这些配体与细胞表面特异性受体的强亲合力,使抗癌药物靶向该细胞，从而实现分子靶向治疗，减少对正常组织的伤害。第三，对癌环境稍低于生理条件pH值的特异响应是实现此系统智能给药的关键。一般情况下，肿瘤细胞间隙环境的pH值为微酸性，而肿瘤细胞内参与纳米粒子内化过程的内涵体和溶酶体的pH值分别为6-7和4-6的酸性环境。所以设计对肿瘤环境pH值敏感的释放体系可以使抗癌药物更多的在癌组织释放。
本报告综述本课题组在开发对癌环境具有三重定位的载药系统方便的最近研究进展。
14:00—14:30 报告人：苟中入 教授
单位：浙江加州国际纳米技术研究院
报告题目：多形态磷酸钙纳米晶自组装及应用探索
摘 要： 长期的研究表明，生理环境中磷酸八钙是骨矿物磷灰石的前躯体。近几年来，这种材料受到日本和欧美生物材料和生物矿化学者的广泛重视，相关体内外研究表明，磷酸八钙是一种生物活性和降解性优良的材料，在骨损伤修复和药物缓释中具有良好应用前景。但是，这种磷酸钙纳米晶受有机小分子以及生物大分子协同介导作用小的生长行为尚不明确。本文应用两亲性小分子和（或）多肽为介导分子，合成具有蒲公英和微球形态的自组装纳米团簇结构，并研究了有机分子对调控形态演化的的浓度依赖关系和纳米晶生长机制。并初步探讨了超干净纳米带表面吸附行为、微球材料对动物骨缺损模型原位诱导骨再生行为。我们应用表明活性剂CTAB和PAsp（聚天冬氨酸）为介导分子分别合成了磷酸八钙超长纳米带和多孔微球，通过改变两种有机分子的浓度合成具有多种超微结构的磷酸八钙团簇。应用扫描电镜、红外光谱等鉴定分析自组装纳米团簇的微结构、形态和组成。其次，应用多肽和二膦酸纳为模型分子研究了纳米带表面吸附行为和机制，并建立大鼠股骨骨髓腔和缺损模型研究分析了微球颗粒材料原位促股骨再生行为。系列研究结果表明，磷酸八钙微球具有原位促进骨再生功效。可望成为一种新型生物活性、降解性优良的骨损伤修复生物材料。
本报告还涉及实验室最近相关研究结果，并与各位同仁探究合作。
14:30—15:00 报告人：李伟峰 教授
单位：苏州大学材料与化学化工学部
报告题目：阴极弧等离子沉积法制备生物活性ZrO2薄膜及其机理研究
摘 要： 医用器件在植入人体后与体液、组织首先接触的是材料表面，因此材料的表面特性在对其周围生物环境的响应过程中起着至关重要的作用。显然，如果材料表面形貌、微结构、组成和性能发生改变，将显著影响其与生物大分子之间的相互作用过程，并进而影响细胞的功能。由于与生物大分子具有相似的尺度和可改变的能量，纳米材料比传统体材料能更有效与生物蛋白质作用。
本工作以硅片(111)为衬底，采用阴极弧等离子沉积系统分别在氧气和氧氮混合氛中制备了四方介稳相的纳米结构ZrO2薄膜，并对薄膜的结构、组成和表面形貌进行了系统表征。通过模拟体液浸泡(SBF)实验，评估所制备ZrO2薄膜的生物活性能力。实验结果表明所制备的氧化锆薄膜具有良好的生物活性和生物相容性，并且材料的生物活性能力可以通过调节温度参数以及其它如掺杂等方法进行人工调控，同时对材料产生活性能力的机理开展了讨论。
15:00—15:30 报告人：王启刚 研究员 单位：日本理化研究所
报告题目：软物质凝胶生体模拟－类细胞结构和高弹性软骨材料
摘 要： 自从上个世纪90年代以来，基于超分子作用的软物质材料逐渐成为材料设计领域一个热点。它的基本特性是自组织行为，非线性响应、和对外界微小作用的敏感性等。就概念来说，软物质，是指 10-10000纳米的介观尺度内，多个分子通过氢键、范德华力、静电力等超分子作用形成的从简单的有序结构到复杂生命体系统。软物质在自然界中广泛存在，包括胶体、液晶、膜等。最近具有大孔道，高水分子含量，类细胞膜的双亲骨架结构，的超分子水凝胶引起了材料，化学和生物各个领域研究者的广泛关注。
生物酶分子于生物体内是一种高效的催化剂，但在生物体外很容易失活，特别是跨膜酶离开细胞膜就完全失去功能。构建适合生体分子功能优化的水凝胶材料是第一个待解决的问题。相对于自然演化的精巧设计，人类的研究始终处于学习阶段。生物体中的软骨组织，含有75％的水，但确能承受最大36兆帕的破坏压力。制备高强度和高弹性的软骨组织替代材料是第二个待解决的问题。结合本人近年的研究工作，对这两个问题进行初步阐述。相信与各位好朋友交流后，能得到更深理解并交叉出新的火花。
15:30—16:00 报告人：黄庆 研究员
单位：中国科学院宁波材料所 功能材料与纳米器件事业部 报告题目：氮化硼纳米管材料的制备和复合材料研究 摘 要： 氮化硼纳米管材料具有和碳纳米管材料相似的微结构和手性特征，在力学强度、热学性质上可与碳纳米管相媲美，氮化硼纳米管可以在空气中耐1000度的高温而不氧化，显示出具有良好的高温结构性能。本报告将介绍氮化硼纳米管材料主要的制备方法和在复合材料中的应用。其中包括复合材料的光电化学反应、生物用高空间分辨率酸碱指示探针和高温结构材料的超塑性等研究工作。
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