活性骨支架多尺度三维快速精准组装机理研究

该项目主要以仿生制造生物活性骨支架为研究目标，从微观、介观和宏观多尺度探索骨支架三维精准受控组装快速成型制造方法。借助扫描电镜观测技术和数理统计法，建立多肽纳米纤维支架自动组装工艺模型；借助三维激光相位多普勒粒子分析技术，基于最大熵和能量泛函理论建立生物粘结剂喷洒数学模型；通过GID（射线掠射法）和AFM（原子力分析显微镜）技术，借鉴Kirkwood-Buff理论建立生物胶在HA纳米多肽纤维结构表面的铰链固化模型；采用Ansys优化分析确立生物胶在HA多肽纳米复合材料的铰链强度与胶量涂覆关系，建立压电喷洒工艺模型。探索离散-堆积法多尺度三维精准快速受控组装HA复合材料活性骨支架科学命题，对未来活体生物制造极具借鉴意义。该机理也为未来生物组织器官制造、航空航天吸波和透波功能构件精准成型奠定制造理论基础。同时，探究了材料微观形态精确计算功能件精准成型工艺参数理论的研究方法。

项目主要以生物活性骨支架仿生制造为背景，以三维精准受控组装快速成型方法为研究对象，探索了生物活性骨支架精准快速制造成型理论，属于生物制造前沿研究。项目利用离散-堆积的三维精准快速受控组装方法制备HAP微球生物骨支架，使得活体骨细胞和蛋白酶可直接复合于支架内。项目以人工骨支架制备工艺为研究对象，分别从微观、介观、宏观的多尺度层面探索了三维精准组装工艺对骨支架基本性能的影响，并建立了微观、介观到宏观的量化关系，为骨支架多尺度贯通的研究提供了理论基础；掌握了制备具有密质-松质结构仿生骨的方法，实现了骨支架力学性能可控的梯度制造工艺；从分子相互作用、多场耦合力学、离散-堆积、生物胶雾化喷淋等不同角度揭示了三维精准组装的基本原理及其方法，完成仿生骨支架的三维快速精准组装。针对所提出的制造工艺及技术指标，研制了 2 台生物精准组装成型设备：一台硬骨支架成型机，一台软骨支架成型机。两类成形设备可根据具体的应用对象，利用不同工艺精准组装不同力学梯度的支架模型，实现了个性化软/硬人工骨支架制备。