辽宁省细胞生物学学会
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辽宁省细胞生物学学会:瞄准生物材料发展前沿,促进产品转化与临床应用选题借鉴


话题:#创新科研选题;#生物材料;#医工融合

前言:

传统生物材料在人体组织缺损修复中发挥了重要作用,但其主要作为惰性替换或填充物用于缺损组织形态和简单力学功能的恢复。随着经济社会的发展,传统生物材料已不能满足临床需求。通过赋予材料特定结构和生物功能,激发机体特异性反应,调动人体自我完善和康复功能,实现人体组织或器官的再生和重建,成为生物材料科学和产业发展的方向和前沿。我国正在大力推动的医疗器械监管科学研究,将进一步促进生物材料及产品的转化与临床应用。

1、微创治疗用活性组织修复材料(基础前沿技术)

研究内容:针对外科手术创伤大、修复慢以及手术适应证范围窄、并发症发生率高等难点问题,研发基于微创技术与材料原位激发组织再生相结合、用于精准治疗的新型可注射活性组织修复材料:研究材料的流变学特性以及材料在体内原位固化机制,探索材料体内激活内源性再生能力与调控再生微环境促进损伤器官原位再生的相关机制;研究骨、软骨、口腔等病损组织精准修复用的可注射、原位固化、力学性能可控、生物活性良好、具有生物学激发效应的活性组织修复材料,并建立与此相适应的配套器械。

考核指标:2~3 种完全可注射的高效修复材料体内固化时间 15~30min,且固化过程热量变化不大于 2 °C,体内造影效果明显,生物相容性满足国标要求。用于骨缺损的可注射材料成型后压缩模量在 50~200MPa,3-12 个月内实现体内完全降解,12 个月内实现大动物脊柱的缺损修复;用于软骨缺损的可注射材料压缩模量在 50-200kPa,在 1-3 个月内实现大动物关节软骨缺损修复;用于口腔缺损修复的可注射材料压缩模量为 200kPa-10MPa,在 3-6 个月内实现大动物牙槽骨缺损修复。阐明微创精准治疗用活性组织修复材料的生物学效应和组织再生调控机制。完成 2-3 种微创治疗用材料的中试化生产和临床前研究;开发适于微创治疗的相应配套器械;获得不少于 4 项核心发明专利,形成至少 2 种可注射活性组织修复材料的临床治疗技术方案。

2、动态自适应和主动组织修复生物材料及关键技术 (共性关键技术)

研究内容:面向硬/软组织损伤修复的重大需求,研究基于多糖、蛋白质的动态细胞自适应、组织高粘附性水凝胶材料及分子设计;研究具有主动组织修复性能的仿生水凝胶材料;研究硬组织植入物界面的水凝胶涂层材料及制备技术;开发水凝胶微观动态结构自调控和水凝胶先进增材制造等关键技术;研究上述水凝胶材料的生物适配性,实现硬/软组织生物适配性主动修复。

考核指标:获得3~5 种基于多糖、蛋白质的动态自适应和主动组织修复水凝胶生物材料;水凝胶与硬骨组织植入物表面结合强度达 80kPa 以上,与宿主骨组织的结合强度达到50kPa 以上;水凝胶涂层的新生骨组织覆盖率达 90%以上, 组织修复进程缩短 20%;用于软骨组织修复的水凝胶植入物宏观杨氏模量达到 1 至 3kPa,损耗模量在 0.04 至 0.6kPa 范围内可调,实现动态水凝胶 10 秒内松弛 50%应力负荷;水凝胶可按照组织缺损形状塑形,实现 90%以上的界面吻合;

建立2~3 种大尺寸(直径>1cm,高度>1cm)仿生水凝胶的 3D 打印关键技术,3D 打印水凝胶孔隙率大于 55%,拉伸应变达 300%,杨氏模量达 5kPa,断裂能达 10kJ·m-2;完成 1~2种动态自适应和主动组织修复水凝胶材料的临床前研究。

3、病灶微环境响应的催化医学材料(基础前沿技术)

研究内容:面向恶性肿瘤等重大疾病的精准治疗,研究能响应病灶微环境原位催化产生活性氧等治疗性物种的掺杂/负载型介孔氧化硅、磁性金属氧化物、无机二维层状、微生物基复合材料等纳米催化医学材料,建立从分子尺度到百纳米尺度的组份结构和纳米催化特性调控等关键材料技术,阐明材料结构与病灶微环境响应及免疫激活等生物学效应之间的构效关系,提高肿瘤特异性治疗效果。

考核指标:获得6~8 种对病灶微环境高灵敏响应,且具备良好生物安全性和高催化活性的纳米催化医学材料;催化活性组分掺杂/负载量(质量)分别不低于 10%和 20%;材料的颗粒分布指数<0.1,生理条件下稳定分散时间≥60 天;14

天体内材料的降解率和代谢率≥90%;实现不少于 5 类催化医学材料的肿瘤特异性化学反应,催化的响应时间≤20min;1h内催化反应目标产物的产率≥70%,目标产物在病灶部位与正常组织的产率比≥50;完成 2~3 种催化医学材料在实验动物水平的安全性评价,及其与免疫疗法协同的治疗效果评价;开展基于医学伦理的临床试验 10 例以上。

4、细胞功能调控的活性生物材料(共性关键技术)

研究内容:面对恶性肿瘤的治疗需求,研究调控肿瘤细胞死亡模式的聚多肽及聚酰胺-胺类等高分子材料;研究调控肿瘤相关免疫细胞功能的锰基无机矿化材料及仿生材料等;开发肿瘤微环境响应的材料特性转变或原位组装技术、多层次手性结构精准构筑技术、原位矿化掺杂技术等关键技术;开展上述活性生物材料的功效评价,实现高效的细胞功能调控和肿瘤治疗。

考核指标:获得5~8 种调控肿瘤细胞死亡模式或肿瘤相关免疫细胞功能的活性生物材料,其中 2 种及以上实现规模化合成,单批次不低于 1 公斤;聚多肽材料分子量范围2~20kDa 之间可调,分子量分布<1.5,在肿瘤组织实现二级结构等性能转变时间<10min;聚酰胺-胺类材料的分子量20~40kDa 之间可调,分子量分布<1.2;锰掺杂无机矿化材料粒径在 50~200nm 之间可调,颗粒分布指数<0.2,颗粒化学纯度>95%,在肿瘤组织降解半衰期<12h;上述活性生物材料对肿瘤细胞有高选择性,杀伤效果提高 30 倍以上,完成3~5 种调控细胞功能的活性生物材料在动物水平的疗效评价,肿瘤增殖率 T/C(%)<5%。

5、疾病诊断和诊疗一体化影像生物材料(基础前沿技术)

研究内容:基于磁共振成像介导可视化治疗和疗效评估的重大需求,研究用于影像介导化学动力学治疗(CDT)的零价铁基磁性材料及其晶相可控制备技术,阐明材料微观结构与(类)芬顿反应活性之间的构效关系;研究免疫调控功能的铁基诊疗生物材料及其异质界面控制合成技术,并研究材料理化性能与肿瘤免疫疗效之间的关联;研究内源性微环境或外场高灵敏驱动的铁基材料组合体,建立可控组装技术;研究上述铁基生物材料的效能,并进行生物安全性评价。

考核指标:获得5 种以上诊疗一体化生物材料;零价铁基材料的颗粒分布指数<0.1,粒径<30 nm,饱和磁化强度>90emu/g,其中 1 种以上材料实现宏量化制备,产能 50千克/年以上;1~2 种肿瘤 CDT 过程中代谢分子的动态磁共振影像活体检测限<1mmol/L;铁基复合材料的弛豫率比值r2/r1<5(T1造影)或 r2/r1>100(T2造影),肿瘤免疫治疗过程的磁共振动态监测分辨率达到亚毫米级别;获得 2 种以上内源或外场驱动的铁基材料组合体,至少 1 种组合体的异质结合率大于 90%,病灶区的组合体富集率>15%;完成 2 种以上诊疗生物材料的临床前评价。

6、组织修复用多级微结构仿生支架材料及关键技术(基础前沿技术)

研究内容:面向心脏、脑等重要脏器损伤修复治疗的重大需求,研究模拟心肌组织/脑组织三维空间结构组成并主动调控心梗、脑梗病理微环境(缺血、缺氧、炎症等)的组织再生修复支架材料,建立抗氧化、促血管形成、促再生性修复的支架多级微结构调控技术;研究与心肌组织/脑组织特异性力学和电学性能相似的力电耦合支架材料,开发材料的力电耦合调控技术;研究多级微结构和力电耦合支架材料的生物安全性,评价多级微结构和力电耦合性能对组织再生性修

复的促进作用。

考核指标:获得8~10 种由 2 种以上不同层级/尺度(纳米-亚微米-微米)结构单元组成并模拟心肌组织/脑组织空间排布、取向的多级微结构支架材料。不同层级结构单元的尺寸比≥100,取向度≥80%,支架材料促进动物病灶区新生血管

数量增加≥20%、纤维化程度下降≥10%;获得 3~5 种匹配心肌组织/脑组织电传导的力电耦合支架材料,力电耦合压阻常数控制在 0.001~5kPa-1;完成至少 50 例大动物的心梗/脑梗修复支架材料的体内效果验证研究;制定并申报 1~2 项心肌组织/脑组织损伤修复支架材料行业标准。

7、 组织、器官再生用柔性电子材料和器件(基础前沿技术)

研究内容:面向器官缺损的医疗需求,研发诱导器官发育与再生的镓合金液态金属-高分子弹性体或水凝胶复合柔性电子材料,并建立复合柔性电子材料的微纳米级图案化印刷技术;研究直接与细胞接触的刺激响应高分子复合柔性电子材料及其生物相容性,并建立精准可控的药物装载、存储与释放的关键技术;研发电子-生物双向交互、监测和干预生物电信号的柔性微电极阵列器件,及面向体外人工器官生成和体内原位器官再生关键柔性电子材料与器件。

考核指标:获得用于诱导器官发育与再生且基于镓合金液态金属-高分子弹性体或水凝胶复合柔性电子材料 3 种以上,其弹性模量为 0.5~100kPa,形变率大于 200%,反复形变大于 10000 次,且 10000 次反复形变后电导率下降<5%,完全生物降解时间<100 天;刺激响应高分子复合柔性电子材料响应温度在 35~50 摄氏度之间,响应电压在 10~100 伏特之间,药物装载率>90%,药物释放率>90%,能精准控制释放 10 种以上化学小分子或核酸分子;微电极阵列中电极和导线尺寸精度在 10μm 到 100μm 之间,阵列通道数≥64;获得用于建构脑、心、肺等体外人工器官的柔性电子材料5种以上,用于电子-生物交互与脑、心脏功能恢复的柔性电子材料与器件 2 种以上,完成大动物体内植入评估。

来源:网络


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