含细胞的骨软骨复合支架综合3D成形机理及可控制造与试验研究

Key technologies of equipment for fabricating integrated composite scaffolds of osteochondral containing cells are the research emphasis and difficulties of Bio-manufacturing and the people's livelihood issue what is the urgent need to address, have the profound research value and broad application prospect. Aimed at these key technology areas and taking integrated composite scaffolds of osteochondral containing cells as the research object, the project researches the mechanism and methods of preparation, combines advantages of some technologies such as the reaction forming technology of multi-component materials、cell electrospray and so on, uses fluid rheology and CFD method to analyze and build distribution and the coupling relationships of multi-physics, builds the model of the isothermal flow behavior of non-Newtonian fluid, analyzes the survival of cells under high voltage electric field using experimental methods. Referencing leaky dielectric model and slender body theory, the project constructs the equations of motion of the cell electrospray by using Maxwell constitutive equation to simulate the drawing process of nano-fiber and researches the deposition of electrospinning containing cells to research the method of multi-scale controllable manufacturing and control mechanism model, control strategy. A large number of experiments will be done after establishing the cell/scaffold integrated forming platform to prove the correctness of the theories and technologies. This research project can provide theoretical support and testing data for the preparation of integrated composite scaffolds of osteochondral.

含细胞的骨软骨一体化复合支架设备的关键技术是生物制造的研究重点和难点，是人类健康迫切需要解决的民生问题，具有深远的研究价值和广泛的应用前景。本项目正是瞄准该关键技术领域,以含细胞的骨软骨一体化复合支架为对象，研究其制备机理和方法,综合多组分材料挤出、细胞电喷射等成形技术的优点, 运用流变学理论和CFD方法及数值模拟方法，建立成形过程中多物理场的分布及耦合关系, 构建非牛顿流体流动的行为模型；采用实验方法研究高压静电场对细胞生物活性的影响规律，将漏电介质、细长体模型与Maxwell本构方程结合构建细胞电喷的运动方程，模拟电场作用下纤维拉伸过程及含细胞的电纺纤维的附着形态；研究多尺度可控制造及调控机理模型、控制策略。利用研究成果建立细胞/支架综合成形试验平台,并进行大量试验研究,验证研究理论和技术的正确性,为研究直接制备含细胞的骨软骨一体化复合支架的设备提供理论支持和试验数据。

本项目提出将多组分材料挤出成形、静电纺丝和细胞喷射组装技术相结合，以骨软骨复合支架为研究对象，采用数值分析、优化理论、试验方法等，建立了相应的数值模型和求解方法，形成了骨软骨支架综合成形工艺路线及理论，并取得了以下研究成果：1) 构建了不同工艺参数与支架之间的理论关系模型，获得了工艺参数对支架成形性能的影响关系；2) 基于流变学性能和CFD理论，对支架制备过程中的不同工艺参数进行模拟仿真，进一步验证各参数对支架成形效果的影响；3) 依据实验结果，分析了各参数对支架成形效果的影响，验证了理论关系模型和模拟仿真的有效性；4) 基于细胞生物学理论，对电场环境下细胞形态、受力情况进行理论分析，结合实验验证了细胞在综合成形工艺下的存活与生长状况，在综合成形骨软骨支架的同时，通过体内实验验证了所制备支架的生物相容性；5) 通过多组分材料挤出成形、静电纺丝和细胞喷射组装技术成形骨软骨支架的试验研究，对综合成形工艺的可行性、有效性及原型平台的操作性进行了验证，从软件和硬件两部分建立了用于修复关节软骨的含细胞的一体化复合支架的试验平台。研究结果表明，项目提出的基于多工艺融合的骨软骨支架综合成形机理是可行的，开发的试验平台与控制系统能够完成预期的操作任务，能够为进一步开发骨软骨支架成形设备提供必要的理论与试验支持。