具有不同降解性能的三种高分子复合支架的细胞和成骨行为对比研究

Three polymer matrices, i.e. nondegradable PA66, slowly degraded PCL and fast degraded PLGA, are selected to make composite porous scaffolds with nano-hydroxyapatite (n-HA) crystals. Comparative investigation on in vitro cell behavior and in vivo osteogenesis will be carried out, including the effects of the three scaffold matrices on proliferation, differentiation and gene expression of BMSCs, and on new bone growth and reconstruction in different periods of implantation. The correlation between scaffolds’ degradability and bone reconstruction is expected to be revealed through the 2 years in vivo implantation, to enrich the theory of scaffold-mediated bone formation and regeneration, and to provide scientific basis and reference for design and construction of high-performance bone repair scaffolds and their clinical applications.

本项目选择三种具有不同降解性能的高分子基质，即不降解的聚酰胺66（PA66）、降解缓慢的聚已内酯（PCL）和降解较快的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），分别与纳米羟基磷灰石（n-HA）晶体复合，构建三种复合多孔支架。首次对这三种降解性能不同的支架进行细胞和成骨行为对比研究。研究三种支架材料对骨髓基质干细胞增殖、分化和相关基因表达的影响；通过长达2年的体内植入，揭示三种支架在不同植入时段对新骨生长与重建的影响，及其与支架高分子基质材料降解性能之间的关联性。通过本研究，丰富支架介导骨形成和再生重建理论，为设计和构建高效能骨修复支架及其临床应用提供科学依据和借鉴。

近年支架体内成骨研究多选择3-6个月的时间点，然而新骨组织完成其重建通常需要更长的时间（6个月至2年），因此，开展支架降解性对体内长期骨重建的影响研究具有科学和临床双重必要性。本项目选择具有不同降解性的三种高分子基质分别与纳米类骨磷灰石复合制备多孔支架，通过对比研究三种支架的长期成骨差异性，解答支架降解速率与长期骨重建关联性的相关科学问题。首先，合成了纳米羟基磷灰石(nano hydroxyapatite, n-HA)晶体，利用缓冲液洗涤新方法快速降低了磷灰石产物的过碱性。进而将该n-HA无机成分与难降解的聚酰胺66 (PA66)、缓慢降解的聚己内酯(PCL)和快速降解的乳酸羟基乙酸共聚物(PLGA)分别复合，制备了孔隙率高于70%且多孔结构相似的三种复合多孔支架。体外细胞实验显示，三种支架均具有良好的细胞相容性，无显著性差异。在兔股骨髁极限骨缺损超长期植入1、3、6、12、15、18及21个月的体内实验结果表明：ⅰ) n-HA/PLGA支架的快速降解虽然有利于早期成骨，但快速降解导致支架结构完整性过早丧失，进而造成植入3个月后的骨重建不足和新生骨体积下降；ii）虽然难降解的n-HA/PA66和缓降解的n-HA/PCL支架的早期成骨量低于n-HA/PLGA支架，但6个月后这两种支架植入位长入和重建的新生骨体积均超过了n-HA/PLGA支架；即n-HA/PA66和n-HA/PCL支架的结构完整性维持在长期骨再生重建中发挥了积极和重要作用；iⅱ) 支架降解所留下的空间在骨重建后期难以被新骨组织占据，尤其是在骨组织形成稳定结构或骨界面变得相对“惰性”之后。此外，良好的孔隙结构和基质界面的亲水性对长期骨重建也非常重要。本研究为临床适用型新型骨修复支架的设计和应用提供了较为详实的长周期的科学依据，揭示出“骨缺损修复支架必须具有相对稳定的成骨空间和界面，且降解速率应慢于骨重建的完成过程”。因此，对于骨组织长期修复而言，过度追求支架的快速降解并不利于长效的骨缺损修复和骨组织再生重建。