人工活性关节功能的体外评价及其仿生系统构建

Tissue engineered articular cartilage replacements represents a potential solution to the patients of trauma or degenerative arthritic disease, for bridging the two conventional treatments: pain control and total joint replacements. However, the lack of a long-term feasible functional evaluation methodology has been holding the progress of the clinical application back. Therefore, a brand new methodology of functionally evaluating the engineered cartilage in-vitro for a long-term purposes has been proposed, aiming to recruit an in-house developed joint simulator that simulates the realistic motion & loading of the natural joint system and offers long-term preservation of the graft, by integrating the mechanical environment as well as the biological circumstances together. The key issues tackled in this project include: to build the computational modeling of the integrated mechanics, physics mechanisms relating the joint system as well as the modeling of nutrient transport within the graft; to investigate the effect of single factors such as loading, motion, tribology on the tissue function; to set up the system of evaluating the functional engineered cartilage tissue for the evaluation & test in a way of multi-scale, multi-physics etc. This project is looking into supporting the cartilage repair & regeneration field, elongating the life-span of the repaired engineered tissue, as well as to accelerate the transformation from the research innovation into the clinical applications.

人工活性关节在传统人工关节的基础上，其骨软骨的修复和再生赋予了人工关节在体内长期服役的潜能。但是，目前在世界范围内还没有形成对关节活性组织的功能和长期服役性能进行预测和评估的公认的标准体系，从而影响了人工活性关节在临床上的应用和发展。本项目提出对人工活性关节组织进行体外长期功能评估的新思路，通过对人体关节运动、力和生物的仿生建模来构建关节体外功能测试评估系统。项目重点通过计算机数值模拟的方法研究关节系统中骨软骨的力学、生物学、摩擦学的仿生机理；探索力学、物理等因素对活性组织功能的影响；构建完备的人体活性关节体外长期的功能评估系统，实现全方位（力、摩擦、生物）、多角度（运动、各种步态）、多尺度的评估和测试。研究成果为组织工程骨软骨支架的设计和优化提供反馈，为软骨的修复和再生提供技术支持，有助于活性关节的临床前评估标准的制定和组织工程研究成果向临床应用的转化。

人工活性关节在传统人工关节的基础上，其骨软骨的修复和再生赋予了人工关节在体内长期服役的潜能。但是，目前在世界范围内还没有形成对关节活性组织的功能和长期服役性能进行预测和评估的公认的标准体系，从而影响了人工活性关节在临床上的应用和发展。本项目提出对人工活性关节组织进行体外长期功能评估的新思路，通过对人体关节运动、力和生物的仿生建模来构建关节体外功能测试评估系统。并利用该评价系统对自然关节和组织工程骨软骨组织进行全方位（力、摩擦、生物环境参数）、多角度（运动、各种步态）、多尺度的功能评价和测试。主要研究进展如下：.构建一套针对完整自然关节进行体外培养和功能测试的评价系统，实现了在维持自然关节组织正常生理和力学环境下的力学、摩擦学等功能评价，为体外研究完整关节的软骨病变机理和软骨修复等需求提供了实验基础平台。.开发一套基于多物理场和生物培养环境模拟的面向小尺寸活性关节组织体外评价的多物理场综合测试系统，实现了复合扭转、法向载荷、往复摩擦等多种运动形式的生物培养和实时功能评价功能，该系统已经实现体外测试培养小尺寸软骨组织至4周以上，为研究工程化软骨的功能参数优化提供了可靠的测试平台。 .在构建的两套软骨功能测试系统基础上，重点研究并且通过对比量化了扭转剪切、法向载荷和加载频率等重要参数对自然关节软骨组织和工程软骨组织的体外功能化影响。研究进一步证实了法向载荷（2MPa）对于自然或工程软骨组织细胞活性和功能化的激励作用，还揭示了表面往复剪切（10mm/s）对软骨表层细胞形态、组织功能趋化的激励作用以及扭转剪切的双刃剑影响等，为关节软骨体外病理模型研究和组织工程支架的优化设计及制造都提供了重要参考指标。.本项目共申请中国发明专利8项，其中已授权专利1项；在国内外知名学术期刊发表论文10篇；参加国际会议口头报告3次。研究成果为活性关节组织体外功能评价提供了可靠的平台和系统，为组织工程骨软骨支架的设计和优化提供重要参数指标，为软骨的修复和再生提供技术支持，有助于活性关节的临床前评估标准的制定和组织工程研究成果向临床应用的转化。