常　江----高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室

　　常江，研究员

　　生物医用材料与组织工程课题组

　　021-52412804

　　jchang@mail.sic.ac.cn

　　教育经历：
　　1978—1982，西北轻工业学院，化工专业，学士学位
　　1985—1987，德国达姆施达特工业大学，化学专业，硕士学位
　　1987—1991，德国达姆施达特工业大学，化学专业，博士学位

　　工作经历：
　　1991—1993，德国卢卑克医科大学医学分子生物学研究所，博士后研究员
　　1993—1997，新西兰奥克兰大学医学院，研究员
　　1997—1999，美国纽约大学医学院，研究助理教授
　　1999—2000，美国强生公司组织损伤修复技术中心，研究员
　　2000—至今，中国科学院上海硅酸盐研究所，高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，研究员

　　曾获得奖励、荣誉称号：
　　新西兰华人杰出贡献奖（1996年）
　　上海市科技进步二等奖（2006年）
　　第一届长宁区领军人才（2007年）
　　全国归侨侨眷先进个人（2009年）
　　第四届中国侨界贡献奖（创新人才）（2012年）
　　国际生物材料科学与工程学会联合会终身荣誉会士(FBSE)（2012年）
　　中国科学院朱李月华优秀教师奖（2012年）

　　科研工作简介：

　　1)不同活性组成和表面微纳米结构硅酸盐和磷酸盐生物陶瓷的制备技术

　　采用不同的物理化学方法制备可控的活性组成和表面微纳米结构硅酸盐和磷酸盐生物陶瓷。制备了钙硅基系列陶瓷粉体及块体（硅酸钙、硅酸二钙、硅酸三钙）、含镁、锌、或锶的硅酸盐基陶瓷粉体及块体（白硅钙石、镁黄长石、透辉石、锌黄长石、硅酸一镁、硅酸二镁、硅酸锌、硅酸锶）、磷酸三钙陶瓷粉体及块体、复合比例可控的硅酸钙/磷酸三钙纳米复合粉体及亚微米复合粉体及块体、纳米生物活性玻璃粉体、具有有序纳米孔道结构的、成分可控的介孔生物活性玻璃粉体与多孔支架（见图1），不同成分硅酸盐陶瓷及其复合材料，不同复合比例、不同孔结构和尺寸、不同复合组分的连通性良好的生物活性硅酸盐/生物高分子复合支架材料。

　　开展了水热等条件下制备表面微纳米结构及功能性微量元素掺杂的HAp生物陶瓷粉体、块体及多孔支架材料的研究。研究初步表明：通过控制水热等反应介质、表面活性剂、反应温度/时间等工艺参数，既可以仅实现前驱体的表面部分转化为HAp层，并控制HAp层的厚度及其表面微纳米结构、形貌和晶粒尺寸；也可以实现前驱体整体转化为HAp，并控制材料表面的微纳米结构。同时，通过改变前驱体的化学组分（如元素掺杂种类及掺杂浓度）、含功能性微量元素的水热溶液介质等，可以实现表面微纳米结构和元素掺杂的同步调控。在材料的制备技术及调控机制方面于专业领域内知名期刊CrystEngComm、Journal of Materials Chemistry、Chemical Communications、Nanoscale上发表了多篇研究论文。其中，因发展了一种以硅酸钙为前驱体的水热转化法，实现HAp形貌及组成的同步可控制备而被编辑选为Hot Article和Cover Article。

　　图 1. (A) 介孔玻璃支架大孔结构 (B) 介孔玻璃支架孔壁内部的有序介孔孔道结构.

　　2)不同活性组成和表面微纳米结构硅酸盐和磷酸盐生物陶瓷的生物活性和降解性研究

　　研究了陶瓷化学组成与材料生物活性和降解性的关系。研究结果显示：不同钙硅比的硅酸钙生物陶瓷都具有良好的体外生物活性（诱导沉积类骨磷灰石能力），而含镁、含锌的硅酸材料的生物活性明显降低。可见，通过材料组分的控制可以很好地控制材料的的生物活性。在磷酸钙陶瓷中添加硅酸盐组分能够显著提高材料的生物活性。同时，通过调节复合比例达到对材料生物活性的精确控制。在生物高分子中复合生物活性硅酸钙组分，可以显著提高高分子材料的生物活性。研究结果表明：可以通过控制材料的物相调控支架材料的降解性，以满足不同要求骨修复的应用，例如：α-CaSiO3, β-CaSiO3支架的降解性要快于β-TCP支架，β-CaSiO3支架在整个浸泡过程中显示出最快的降解；可以通过不同Mg含量的陶瓷来调节材料的降解性，以满足不同要求的骨修复的应用，例如：透辉石陶瓷基本上不降解，而镁黄长石、白硅钙石和硅灰石陶瓷随着浸泡时间的延长，其降解性逐渐增加，而且，硅灰石陶瓷的降解性明显高于白硅钙石和镁黄长石陶瓷的降解性。对比四种含有钙、硅的活性陶瓷降解性可以看出，随着陶瓷中Mg含量比例的增加，其降解性呈现有规律的下降；可以通过原料颗粒度大小的控制对陶瓷的降解速率进行调控，以达到临床应用的要求，例如：微米CaSiO3/β-Ca3(PO4)2复合多孔生物陶瓷降解率要高于纳米CaSiO3/β-Ca3(PO4)2复合多孔生物陶瓷。另外，体内动物实验也证实多孔硅酸钙和多孔镁黄长石陶瓷降解速率均快于β-TCP，而成骨能力则明显高于β-TCP陶瓷。

　　3)不同活性组成和表面微纳米结构硅酸盐与磷酸盐生物陶瓷对细胞分化、基因表达、信号通路和成骨机制的研究

　　课题组研究过多种不同活性组成的生物活性材料对不同细胞粘附、分化、增殖、基因表达和细胞外基质分泌的影响，发现：硅酸钙陶瓷及其多孔支架可以促进成骨细胞的增殖和分化，在磷酸钙陶瓷中复合生物活性硅酸盐组分可显著提高材料对细胞的增殖和分化，在硅酸钙陶瓷中复合生物活性玻璃组分可以显著提高材料对细胞的增殖作用，体内动物实验分别采用兔子颅骨缺损修复实验和兔子骨髁的修复实验证实了多孔硅酸钙生物陶瓷支架材料具有良好的生物相容性和硬组织缺损修复能力，相关研究结果发表在Biomaterials,2008,29:2588-2596上；含镁的钙-硅基陶瓷（镁黄长石、白硅钙石、透辉石）可以促进成骨细胞以及骨髓、牙髓、脂肪来源干细胞成骨分化，其中系统研究了镁黄长石生物陶瓷对一系列再生相关细胞（如骨髓间充质干细胞、脂肪间充质干细胞、牙周膜干细胞、牙髓干细胞等）的粘附、分化、增殖、基因表达和细胞外基质分泌的影响，发现陶瓷释放出的离子（Ca2+，Si2+，Mg2+等）在陶瓷与细胞复合体附近产生的微环境有利于提高干细胞相关成骨基因如ALP、OCN、OPN、ColI等的表达及干细胞的生长和分化，有促进成骨的倾向（见图2），并且采用兔子股骨缺损修复实验证实了多孔镁黄长石生物活性陶瓷支架具有良好的生物相容性和促进骨再生的能力，说明其有可能具有骨诱导活性（见图3），相关研究结果发表在Biomaterials, 2006, 27: 5651-5657、Biomaterials, 2008,29:4792-4799、Biomaterials, 2009,30:5041-5048、European Cells & Materials ,2011,22:68-83上。其中，发表在Biomaterials, 2006, 27: 5651-5657上的文章被Elsevier出版公司评为2006-2010在Biomaterials大陆作者发表文章被引用最高的前50名（Top 50 Highly Cited Articles By Chinese Mainland Authors 2006-2010）。我们进一步的研究还发现，镁黄长石生物活性陶瓷溶出离子能够刺激脂肪干细胞成骨信号通路中ERK的高表达，而如果采用阻断剂阻断其表达，则骨钙素的表达及矿化程度均明显降低，说明了ERK通路在生物活性材料介导的脂肪干细胞成骨分化过程中起关键作用（Biomaterials 2011;32(29):7023-7033）。

　　图2 在镁黄长石陶瓷表面骨髓间充质干细胞的分化。（A）显示在镁黄长石陶瓷表面干细胞比在β-TCP陶瓷表面有更高的碱性磷酸酶活性。（B）显示在镁黄长石陶瓷表面干细胞相关成骨基因（碱性磷酸酶ALP、骨钙素OCN等）表达明显高于在β-TCP陶瓷表面，而且这些基因的表达水平随着时间的不同而改变。

　　图3 多孔镁黄长石(A、C)、β-TCP(B、D)生物陶瓷支架植入兔子股骨8w（A、B）、16w(C、D)后骨组织与材料界面间的组织学观察结果。

　　4）不同活性组成和表面微纳米结构磷酸盐及硅酸盐生物陶瓷对成血管化的研究

　　良好的血液循环系统是再生组织/器官能否功能化的决定性因素。我们前期实验研究表明硅酸盐生物活性陶瓷如镁黄长石和白硅钙石促进成骨的机制包括其溶出离子能够促进血管内皮细胞的增殖、体外成血管并促进内皮细胞血管生长因子受体的表达，显示该类材料在能够促进骨形成的同时也具有刺激组织工程骨中血管的形成的潜力（见图4）。

　　图4显示镁黄长石在成骨的同时促进血管形成。图A、G（镁黄长石）与图C、I（TCP）分别在8周和16周时新骨中形成了哈弗氏管，图E、K显示8周和16周时镁黄长石新骨中的哈弗氏管数量都较TCP的多，图F、L显示8周和16周时镁黄长石新骨中的哈弗氏管直径都较TCP的大。由于每个哈弗氏管中都有一根血管，而且随哈弗氏管增粗而增粗。

　　5）发展了组织工程支架材料制备新技术

　　由于多孔支架材料是组织再生修复和组织工程的关键要素之一，也是生物材料研究的热点方向。课题组在研究材料活性组成的同时，还研究了采用电纺丝技术制备组织工程支架材料的新技术，并取得突破性进展。以往采用电纺丝技术制备的纤维材料具有无序随机分布或简单取向纤维的结构。而组织工程常需要支架纤维具有特定的微观取向。因此，实现可控的纤维取向获得具有复杂可控图案化微观结构是电纺丝技术当时还没有解决的一个难题。我们在制备技术方面实现了突破，率先在国际上首次报道了电纺丝制备具有图案化结构的支架材料。该项成果2007年发表在国际材料届著名杂志Advanced Materials（“先进材料”）上，文汇报头版报道了这一成果。此方法是电纺丝技术的一个重要拓展，对于电纺丝材料在生物医学工程领域特别是组织工程领域以及其它工业领域的应用具有重要意义。在此基础上，又于2008年成功制备出具有可控微观结构的管状纳米纤维材料，这类材料有望在再生医学领域获得应用。该成果2008发表在国际纳米技术领域顶级杂志Nano Letters上，该文还被Nature China选为当时最新研究亮点（Latest research highlights）（见图5）。该技术申请发明专利两项。

　　图5 电纺丝技术制备出的具有可控微观结构的管状纳米纤维材料

　　科研成果：

Xiaoguo Liu, Kaili Lin, Chengtie Wu, Yueyue Wang, Zhaoyong Zou, Jiang Chang*. Multilevel hierarchically ordered artificial biomineral. 2014, Small 10(1):152-159.
Haiyan Li, Ke Xue, Ni Kong, Kai Liu*, Jiang Chang*. Silicate bioceramics enhanced vascularization and osteogenesis through stimulating interactions between endothelia cells and bone marrow stromal cells. Biomaterials 2014, 35(12):3803-3818.
Chengtie Wu, Yinghong Zhou, Mengchi Xu, Pingping Han, Lei Chen, Jiang Chang*, Yin Xiao*. Copper-containing mesoporous bioactive glass scaffolds with multifunctional properties of angiogenesis capacity, osteostimulation and antibacterial activity. Biomaterials 2013, 34(2):422-433.
Chengtie Wu*, Wei Fan, Jiang Chang*. Functional mesoporous bioactive glass nanospheres: synthesis, apatite mineralization, controllable delivery of doxorubicin and inhibitory effect on bone cancer cells. Journal of Materials Chemistry B 2013, 1(21): 2710-2718. (Cover paper)
Chengtie Wu, Pingping Han, Mengchi Xu, Xufang Zhang, Yinghong Zhou, Guangda Xue, Jiang Chang*, Yin Xiao*. Nagelschmidtite bioceramics with osteostimulation property: material chemistry activating osteogenic genes and WNT signalling pathway of human bone marrow stromal cells. Journal of Materials Chemistry B 2013, 1(6):876-885.
Chengtie Wu*, Minghui Zhang, Dong Zhai, Jianding Yu, Yan Liu, Huiying Zhu, Jiang Chang*. Containerless processing for preparation of akermanite bioceramic spheres with homogenous structure, tailored bioactivity and degradation. Journal of Materials Chemistry B. 2013, 1(7):1019-1026.
Chen Wang, Kaili Lin, Jiang Chang*, Jiao Sun*. Osteogenesis and angiogenesis induced by porous b-CaSiO3/PDLGA compositescaffold via activation of AMPK/ERK1/2 and PI3K/Akt pathways. Biomaterials .2013, 34(1):64-77.
He Xu, Haiyan Li*, Jiang Chang*. Controlled drug release from polymer matrix by patterned electrospun nanofibers with controllable hydrophobicity. Journal of Materials Chemistry B 2013, 1(33): 4182-4188.
Kaili Lin, Lunguo Xia, Jinbo Gan, Zhiyuan Zhang, Hong Chen*, Xinquan Jiang*, Jiang Chang*. Tailoring the Nanostructured Surfaces of Hydroxya patite Bioceramics to Promote Protein Adsorption, Osteoblast Growth, and Osteogenic Differentiation. ACS Applied Materials& Interfaces 2013, 5:8008-8017.
Kaili Lin, Lunguo Xia,Haiyan Li, Xinquan Jiang,Haobo Pan,Yuanjin Xu,William W Lu, Zhiyuan Zhang*, Jiang Chang*. Enhanced osteoporotic bone regeneration by strontium-substituted calcium silicate bioactive ceramics. Biomaterials 2013, 34 (38): 10028-42.
Lunguo Xia, Kaili Lin, Xinquan Jiang, Yuanjin Xu, Maolin Zhang, Jiang Chang*, Zhiyuan Zhang*. Enhanced osteogenesis through nano-structured surface design of macroporous hydroxyapatite bioceramic scaffolds via activation of ERK and p38 MAPK signaling pathways. Journal of Materials Chemistry 2013, 1:5403-5416.

　　更多科研成果：http://www.sic.ac.cn/kybm/bio/cj/kycg

　　详细介绍：

　　http://sourcedb.sic.cas.cn/zw/rck/200906/t20090623_1774716.html

　　http://www.sic.ac.cn/kybm/bio/cj/jj