微观孔隙结构对人工软骨的力学和生物学性能的影响

Nano-hydroxyapatite- poly (vinyl alcohol) hydrogel is a kind of artificial cartilage materials which have good prospects , but it is pretty hard to integrate with surrounding tissues. Our previous studies have found that cartilage cells can proliferate around the artificial cartilage, but it is very difficult to grow deeply in them, the main reason is that the micro-pore structure of materials can not meet the requirements. Then we deposited nano hydroxyapatite - poly (vinyl alcohol) hydrogel in a alcohol soluble organic polymer scaffold which is produced by 3D-printing in our previous studies,a new type of artificial cartilage having unicom holes, the porosity and microstructure of which is controlled,can be produced in consideration of nano hydroxyapatite - poly (vinyl alcohol) hydrogel`s insolubility in alcohol. In our study, a series of artificial cartilage with different micro-pore structure are prepared.Through comparing biomechanics，tribology and biological performance in different groups,the effect of micro-pore structure on physics and biology of artificial cartilage can be explored to determine the best microscopic pore structure. Consequently an outstanding new method is provided to solve the problem of the integration artificial cartilage with surrounding tissues.

纳米羟基磷灰石-聚乙烯醇水凝胶是一种具有良好前景的人工软骨材料，但存在难以和周围组织整合问题。我们的前期研究发现软骨细胞能在人工软骨的周围良好的增殖，但难以深入其中，究其原因主要为材料的微观孔隙结构达不到要求。同时我们前期研究将纳米羟基磷灰石-聚乙烯醇水凝胶沉积于一种3D打印的醇溶型的有机高分子支架上，利用前者不溶的乙醇的特性将支架去除，从而可以制备出一种具有联通孔且孔隙率和微观孔隙结构可控的新型人工软骨。本研究拟制备出一系列具有不同微观孔隙结构的人工软骨，通过比较各组的生物力学、摩擦学等物理性能以及软骨细胞在人工软骨上的生物学行为，探讨微观孔隙结构对人工软骨物理学和生物学性能的影响，从而确定人工软骨最佳的微观孔隙结构，为解决人工软骨难以和周围组织整合问题的科学问题提供一种新的方法。

羟基磷灰石-聚乙烯醇（HA-PVA）水凝胶是一种具有良好应用前景的人工软骨材料，但存在难以和周围组织整合的问题,究其原因主要为材料缺乏相互连通的三维孔隙结构。本研究以3D打印为基础，通过倒模及反复熔融冻干法，制备出一系列具有不同微观孔隙结构的HA-PVA水凝胶，比较各组材料的结构表征、生物力学、体外细胞学相容性及体内原位成软骨性能。HA-PVA水凝胶主要进行以下表征：傅里叶变换红外光谱成分分析、称重法检测含水率、无水乙醇替代法检测孔隙率、扫描电子显微镜观察各组材料的显微结构并测定材料孔径、原位拉压力学试验系统绘制材料的压缩应力-应变曲线并检测压缩模量。材料表征及力学结果显示所制备的HA-PVA水凝胶类似于天然软骨的粘弹特性，制备过程中无杂质产生，材料的含水率、孔隙率、孔径及压缩力学性能基本符合人工软骨要求。以上结果表明可通过制备参数的调节来实现材料的三维结构及力学性能的调控，以期更大限度仿生天然软骨。从山羊髋膝关节软骨组织中分离出软骨细胞并接种于HA-PVA人工软骨材料内检测材料的体外细胞相容性，结果显示材料有利于细胞的粘附增殖，无明显细胞毒性。体内实验构建山羊股骨髁的骨软骨缺损模型，将上述制备的HA-PVA水凝胶与山羊软骨细胞体外混合培养后植入山羊骨软骨缺损处，分别于不同时间点取出标本，进行大体观察、组织学、分子生物学及Micro-CT检测，分析其成软骨情况。结果显示材料对骨软骨缺损具有一定修复能力。体内外实验结果表明本研究构建的HA-PVA水凝胶人工软骨作为软骨修复材料具有一定可行性。