基于微制造技术的仿生骨单位构建

基于微制造技术的原理和骨组织中的结构单元- - 骨单位的特点，选择I型胶原和PEG为基本材料体系，通过材料优化和设计，利用光刻蚀原理制备含不同功能细胞的双环微凝胶单元，基于亲-疏水体系中的液-液表面自由能最低原理实现微凝胶的自组装，构建具有内环血管化组织、外环骨组织结构的哈佛氏骨单位仿生结构，再通过骨单位的重复阵列组装，可以实现三维骨组织的微观到宏观结构仿生构建。该研究有别于常规组织工程构建技术采用的直接构建大块组织的方法，从微米尺度的单元仿生出发实现从微纳尺度到宏观尺度的组织结构仿生，以实现功能仿生。该研究针对具有巨大临床需求的骨再生修复，以及再生修复中面临的血管化程度差难以实现大块骨组织再生的难题，实现真正意义上的结构仿生进而功能仿生，为发展具有再生生物功能的骨植入体奠定基础。

骨单位（Osteon）在骨的分级结构中属微米尺度范围，为双层环状结构，内环为神经血管，外环为骨细胞及其细胞外基质组成的板层骨，骨组织就是通过这些基本结构单位的组合体构成并行使其基本功能的。针对目前骨修复及骨组织工程中难于实现良好的血管化从而难以实现大块骨组织的再生的难题，本项目基于微制造技术的原理和骨组织中的单元骨单位的特点，通过具有仿生骨单位结构的单元构建和组装，探索一种新的仿生组织构建的方法。项目主要进展如下：1、模拟骨单位分级结构的组装构建模式建立：基于骨组织中的单元骨单位的特点，基于光掩膜的设计及紫外光交流技术，探索了多种微单元结构及组装模式，可实现微单元的成型及组装制造，获得多种模式组装构建的复杂结构，实现多种细胞可控分布的单元制造与组装模式，为仿骨单位结构设计和组装构建建立了基础。2、可用于微单元制造组装的水凝胶材料体系探索及其功能优化。为实现骨单位的组装制造，课题提出光控交联技术实现不同形状单元的制造及进一步多级组装，制备系列光交联水凝胶，包括PEG、胶原、明胶、海藻酸钠等材料体系，通过调控材料接枝度及组成等在实现凝胶单元的可控制造的同时，增强凝胶基质的生物活性，特别是对于成骨细胞的铺展及功能表达活性。3、实现骨单位的结构与功能模拟。通过含血管内皮分化细胞和成骨分化细胞的微凝胶单元制造和组装，获得具有骨单位结构的仿生骨单位，实现成骨功能基质包裹的内在血管通路构建，仿生骨单位中成骨与成血管功能细胞分级分布并分别表达成骨与成血管功能，表明骨单位结构与功能的初步建立。