缺损颅骨组织工程支架设计方法及其生物力学研究

为建立理想的颅骨支架结构以及解决多孔结构与力学强度的矛盾问题，本课题通过模拟自然颅骨组织，对缺损颅骨组织工程支架进行外形与内部结构优化设计，构建有利于人工颅骨向自然颅骨转化的支架结构，利用快速成型技术制造支架"负型"，并填充生物材料形成三维活性多孔支架，对支架的生物力学性能进行检测与分析后，通过细胞体外培养试验评价支架结构的可行性，为解决颅骨组织工程支架的临床修复问题提供新途径。

骨组织工程技术在缺损颅骨修复中发挥着重要的作用，但对颅骨组织工程支架的研究并不成熟。为获得理想的颅骨支架结构并解决材料多孔性与力学强度的矛盾问题，本课题对颅骨支架的结构设计、材料制备工艺、生物力学、生物学以及细胞整合等内容进行了系统的研究，取得了如下成果。. 首先，提出一种三角网格孔洞修补算法对缺损部位进行重构，完成了支架外形的设，然后基于天然颅骨显微CT图像的统计分析数据，提出了由“腔体”、“连通管”按照一定的“空间架构网”连结而成的颅骨支架参数化数学模型，并研究了相应的CAD算法对以上组件进行结构设计、装配，以及协同变形，实现了支架内部多孔结构的仿生设计。仿生支架微孔与天然颅骨的骨小梁结构高度相似，孔隙率可控、尺度达到500μm，满足细胞爬行与生长的要求。. 其次，为明确孔隙率与力学强度的关系，基于上述支架参数化模型设计了5种不同孔隙率（23%、28%、32%、36%、41%）仿生支架，应用有限元法对它们进行了详细的应力分析，确定了孔隙率为36%的支架具有最佳的应力分布和力的传导，研究结果可为仿生支架设计以及工艺制备提供理论指导。. 再次，针对仿生支架结构及其微米级尺度的特点，运用高精度快速成型技术制造支架的“负模”后，研究了详细的凝胶注模成型工艺路线，成功制备了多孔β-TCP生物陶瓷支架实物。为提高生物陶瓷支架的力学强度，提出在β-TCP加入了高温玻璃粘接剂（BG），同时进一步研究β-TCP/BG凝胶注模成型工艺材料成份的最佳配比，使材料颗粒间致密化程度提高。β-TCP/BG支架的抗压力学实验结果表明，优化成型工艺成份后支架的实际生物力学强度得到大幅度地提高。. 最后，采用一系列的检测方法对β-TCP/BG支架的孔隙率、微观形貌、成份含量、物相组成等生物学性能进行了检测，并通过细胞体外培养验证了细胞-支架材料的相容性和细胞-支架复合生长的能力。结果表明，细胞在支架可在表面及孔隙内的粘附，支架与细胞的相容性较好，内部蜿蜒曲折微孔结构走势，有利于细胞的粘附和生长。从而证明了课题提出的仿生设计与制备方法是可行的。. 上述内容的科学意义在于实现了与天然骨小梁形态和尺度高度相似的支架设计与工艺制备，其力学强度和生物学性能满足细胞生长和整合的要求，为颅骨组织工程支架的临床应用提供新途径。