骨组织工程支架材料层状分级结构的仿生构建

目前骨组织工程支架材料构建研究面临两个问题：一是力学强度问题――生物相容性良好的天然材料力学强度太差，生物学上必需的多孔结构也导致其力学性能成指数级下降；二是细胞培养中支架材料内部营养成分的传输和细胞迁移受限，往往导致细胞只在材料外部生长,甚至造成孔的闭合,阻碍细胞向内生长及内部代谢产物排出。为此本项目立足课题组多年的研究基础，拟利用仿生技术从结构力学和生物力学角度研究具有仿生成分、仿生生理环境尤其是层状分级仿生结构的新型骨组织工程支架材料。以壳聚糖、纳米羟基磷灰石及胶原等天然硬组织成分为基本材料，以纳米级层状堆积-微米级层状排列-宏观木垛型多孔支架-大孔内形成纤维网络等级结构为切入点，并以快速原位成型、生物矿化、交联及动态培养系统为辅助手段，研究材料的力学及生物学性能的动态变化和影响因素，确立相关因素，建立数学模型，为新型仿生结构的骨组织工程支架材料的研究提供理论和实践依据。

本研究以天然高分子壳聚糖（CS）和胶原（Col）为主要原料，利用仿生技术从结构力学和生物力学角度研究了具有仿生成分、仿生生理环境尤其是层状分级仿生结构的新型骨组织工程支架材料，形成了纳米级层状堆积—微米级层状排列—宏观木垛型多孔支架—大孔内形成纤维网络等多级结构。.首先在壳聚糖诱导纳米片状羟基磷灰石（n-HAP）形成的基础上，通过原位快速成型（RP）和冷冻干燥技术制备了n-HAP /CS多孔木垛型支架，通过调节冷冻温度和时间控制其宏观木垛型结构和微观层状结构。并对其进行了磷酸化修饰改性，使材料具备在生物学环境中可转化为“生物学信号”的“化学信号”，刺激组织细胞的定向分化和增殖。采用新型仿生矿化的方法构建n-HAP紧密沉积和排布的CS支架表面。.其次在木垛型支架内分别构建了CS和Col网络，引导成骨细胞的生长。支架的上表面是支架中所有表面（上、侧和底面）中最重要的一部分，因为这是细胞接种的部分，因此纤维网络微孔结构既要保证孔径足够大能使细胞顺利通过和迁移，但是也防止细胞孔径过引起细胞流失。从SEM结果可看到CS纤维网络如蜘蛛网填充于孔洞中，并且缠绕在支架细棱上。 .模拟生理环境, 利用BOSE生物力学反应器进行动态细胞培养，并对其进行了动物体内植入试验。提供正弦波周期性的压力刺激，研究了动静态培养条件下细胞形态、细胞周期、细胞内bFGF的分泌差异，并通过脊柱缺损动物模型，对材料进行了植入试验。结果表明力学刺激能够显著提高细胞内bFGF的表达，从而促进细胞的增殖。.此外还研究了鼠尾I型Col的提取工艺及液晶性能，通过调节溶液浓度、平衡时间及平衡环境组装多层Col液晶，并进行原位深度矿化，最后通过离心成功进入大孔支架内，完成了Col一维、二维和三维的分级组装。.因此，本项目基本上按计划内容和方法实施，并进了拓宽。