基于独立电场、磁场联合加载和磁诱导有序三维层级结构磁电双功能支架的骨修复协同作用研究

The influence of electrical and magnetic stimulation on bone growth is not only a research focus in bone tissue engineering, but also a basic scientific problem in clinical research of bone disease. By current electric magnetic field stimulation mode, it is difficult to optimize the direction, time, frequency, intensity and other parameters, so as to achieve the best biological effect. This project is to obtain the best loading parameters of electric and magnetic field, and the functional bone repair materials adapted to special magnetic and electric field stimulation. Through independent electric field and magnetic field, regulation of two physical factors, synergistic effects of dual physical factors on proliferation, differentiation and cytoskeleton of osteoblast are studied at molecular, cellular and animal level. The 3D scaffolds CNTs/PEDOT/GelMA//Fe3O4/PLGA/GelMA with ordered hierarchical structure, having excellent magnetic, conductive and mechanical properties, are prepared to enhance the combined effect of electric and magnetic stimulation. Through simulation calculation, the temporal and spatial distribution of combined electric and magnetic field is obtained to provide uniform characteristic parameters of electric and magnetic fields in different modes. This project not only has theoretical significance to promote the treatment of orthopedics diseases, but also has important clinical therapeutic value.

电、磁场等物理刺激对骨生长过程的影响分析，不仅是骨组织工程领域的研究热点，也是骨疾类临床医学研究无法逾越的基础科学问题。现有电、磁场加载方式无法优化电、磁刺激的方向、时间、频率、强度等参数，很难达到最优生物学效应。本项目以获取电、磁场等物理手段的最佳加载形式和参数、获取适应特定电、磁场刺激的功能性骨修复材料为目标，通过设置独立的电、磁场加载方式，任意调控两个物理因子的参数，从分子、细胞、动物多个层面，研究双重物理因素的协同作用对成骨细胞的增殖、分化及细胞骨架等影响；通过磁场诱导形成三维有序排列层级结构的磁电双功能支架材料CNTs/PEDOT/GelMA//Fe3O4/PLGA/GelMA，具有优良的磁、导电及力学性能，提升电、磁刺激的联合作用；通过仿真计算获取电、磁场时空分布特征，为统一不同场景下电、磁场的特征参数提供理论依据。本项目对于促进骨科疾病研究具有重要的理论及临床价值。

电、磁场等物理刺激对骨生长过程的影响分析，不仅是骨组织工程领域的研究热点，也是骨疾类临床医学研究无法逾越的基础科学问题。现有电、磁场加载方式无法优化电、磁刺激的方向和强度等参数，很难达到最优生物学效应。本项目使用电极和磁铁自行搭建独立电场、磁场联合加载装置，通过调控强度和方向等参数研究双重物理因素的协同作用对成骨细胞的增殖、分化及细胞取向等影响，显示独立电场、磁场联合加载相对于单独电场加载或者单独磁场加载对成骨细胞生长具有更加明显的促进作用；通过制备磁场诱导构建三维有序排列层级结构的PEGDA/壳聚糖磁电双功能水凝胶以及PLGA基磁电双功能纤维膜、磁性PCL三维支架、磁性壳聚糖/海藻酸钠大孔水凝胶等各类磁电和磁性功能支架材料，发挥优良的磁、导电和力学性能，显示出良好的生物相容性和组织工程功能性，并能够提升独立电场、磁场刺激的联合作用；通过仿真计算获取电场和磁场的时空分布特征，初步表征搭建设备加载电场和磁场的独立性，并用于辅助优化电场、磁场加载参数，为不同场景下加载独立电场、磁场的特征参数提供理论依据。本项目搭建的独立电场、磁场联合加载装置为细胞、组织培育提供协同生长平台，广泛应用于骨、皮肤和神经组织工程；设计并制造的多功能支架联合物理刺激对骨组织工程的构建及骨缺损修复、骨再生具有潜在良好促进效应。发表注有本项目的期刊论文25篇，其中SCI论文20篇，研究成果可为将来在生物反应器中的应用提供实验依据和参考，为组织工程学的进一步发展提供新的思路，对于促进骨科疾病研究具有重要的理论及临床价值。