基于3D打印技术的结构性人工骨仿生优化设计与制备

Based on established human bone marrow stromal cell bank and manufactured homogenized segmental artificial bone material, according to the distal end of human femur to design and manufacture structural artificial bone. In order to design and manufacture of structural artificial bone, we will investigate the relationship between the microscopic and dynamical characteristics. We put forward "bone-formation unit" theory to design and manufacture optimized bionic bone according to bioactivities of osteoconduction, osteoinduction and osteogenesis. We will study the spacious distribution of compounds of titanic alloy and ceramic and artificially vascularization. We will improve the 3D printing technics to solve the difficulties of preparing the metal and nonmetal material. We want to make the bionic artificial bone which will match the natural bone in the dynamical and biologic characteristics. This project is to investigate the mechanisms that how the microscopic morphology such as spacious structure and combining interface of the structural artificial bone affects the mechanics biology of materials , at the same time, to create new theories and methods to design and manufacture optimized bionic artificial bone, and supply an experimental basis for repairing the structrual bone defect with tissue engineering method clinically.

本课题在建立人骨髓基质干细胞库和构建均质化大段人工骨材料的研究基础上，对骨组织工程支架材料机械力学性能和血管化问题进行探索。以人体结构性人工骨为设计、制备目标，研究承重部位骨骼的显微结构特征及其与骨骼力学性能间的关系，围绕骨移植材料骨传导、骨诱导及骨生成的生物活性性能要求，采用仿生结构优化的方法对人工骨的微结构及整体结构进行优化设计，提出大段人工骨内"成骨单元"的设计理念，主要针对钛合金与陶瓷复合材料的空间力学结构和人工骨血管化问题进行优化研究，通过改进3D打印制造工艺解决金属、非金属材料制备难题，最终制备出力学性能与生物学性能与周围自然骨的性能相匹配的人工骨。本项目旨在揭示结构性人工骨的金属空间架构、材料结合界面微观形貌等因素对材料生物学及力学性能变化的影响规律，探索血管化的仿生结构性人工骨优化设计的新理论与制备的新方法，为血管化结构性人工骨的制备提供实验依据和理论参考。

项目首先对支架基质不同微孔道结构的三维模型进行了受力分析：（1）随着微孔道的逐层细化，支架的微孔分布逐渐趋于均匀，支架的变形和应力皆趋于均匀分布，且微孔细化区域应力较小；（2）对于主流道相同的模型，随着孔隙率的增大，模型的最大总变形呈递增趋势，但在主流道不同的模型之间，孔隙率和变形值、应力均为非线性关系；（3）对支架内部微孔的各个参数如孔径、孔间距等进行详细的研究，进而对支架基质结构进行优化。其次对Ti-6Al-4V人工骨金属支架结构进行实验和模拟分析研究：（1）支架的立柱直径、列数对支架的承载能力影响较大，横梁直径对其影响较小，但支架的横梁直径和层数的增加会降低支架的弹性模量，而立柱直径和列数的增加会增大支架的弹性模量；（2）支架的总体高度相同的情况下，横梁的层数、直径及立柱直径大小均会影响支架结构的长径比，长径比越小，结构越稳固且支架承载能力提高；（3）经过分析，优选出设计的支架中力学性能参数满足人骨对弹性模量的要求，并且与人体股骨的强度极限相近人工骨金属支架。最后对Ti-6Al-4V/β-TCP复合结构人工骨支架的内部结构进行了设计：（1）Ti-6Al-4V网架的置入有助于提高β-TCP结构的力学性能，且增加Ti-6Al-4V网架横梁的直径、立柱的列数和直径有助于提高支架的力学性能，但立柱的列数和直径对支架力学性能的影响相对较大；（2）支架的力学性能主要与复合结构中Ti-6Al-4V网架结构的受力面积有关;（3）在Ti-6Al-4V/β-TCP支架相关生物力学实验证实其力学性能较差。遂在此基础上进行实验内容的微调整，选取聚富马酸丙二醇酯（PPF）高分子材料进行了改性研究，选用DEF为溶剂,并且PPF:DEF重量比比例优化为75:25时,PPF的交联程度与硬度最优。将PPF与纳米羟基磷灰石（HA）复合，其生物力学性能得到进一步提高，弹性模量等生物力学指标介于人松质骨与皮质骨之间。在上述实验基础上，采用3D打印SLM方法构建了大段Ti-6Al-4V/PPF/HA人工骨支架，初步制备出力学性能与生物学性能与周围自然骨的性能相匹配的大段结构性人工骨，建立起一条的基于3D打印技术构建结构优化的大段人工骨的技术途径，预计在骨组织工程领域有较好的应用前景。项目申请发明专利1项。培养硕士研究生6名。在国内外期刊发表论文9篇，SCI论文1篇。