力学作用下微、纳米羟基磷灰石/壳聚糖共混体系中微观结构参数对成骨前体细胞MC3T3-E1生物学特性的影响

成骨细胞是骨形成的效应细胞，是对应力应变信号进行感知的主要力学敏感性细胞。在二维培养时，成骨细胞能识别基底产生的细微应变，其增殖和分化也发生改变。而在三维构建中，支架材料作为接受外来刺激的主体将力学刺激从外部传递到细胞，在受到力学刺激后其结构和性质将发生改变，而细胞粘附于材料上，其增殖和分化的速率也随之改变，进而影响组织的生长和形成组织的力学性质。尽管一些实验已经表明宏观的力学刺激和骨组织再生之间有明确的关系，但是如何在微观水平上确定细胞受到的力学刺激以及和细胞增殖、分化的关系是问题的关键，所以本课题提出：研究微、纳米尺度HA/CS复合膜和多孔支架材料的性能差异，用基于Micro-CT的有限元模型分析力学作用下HA/CS复合材料的结构参数变化，并与力学作用对成骨前体细胞MC3T3-E1在复合膜材料上的生物学性能的影响相联系，探讨支架结构参数、力学作用参数以及细胞生物学效应三者的关系。

临床上骨缺损处植入骨修复材料以及组织工程化骨的体外构建，成骨细胞都是在三维支架内部贴壁生长的。支架材料将力学刺激从外部传递到细胞，影响支架材料的结构和性质，而细胞因受到力学刺激其增殖和分化的速率也将发生改变，进而影响组织的生长和其力学性质。如何在微观水平上确定细胞受到的力学刺激以及和细胞增殖、分化的关系是问题的关键。本课题制备复合支架材料，用基于Micro-CT的有限元模型分析力学作用下支架材料的结构参数变化，并与力学作用下支架上的细胞的生物学特性相联系，探讨支架结构参数、力学作用参数以及细胞生物学效应三者的关系。.制备了微、纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合膜及多孔支架材料；研究了不同表观应变下复合多孔支架内部应变的分布，确定了力学加载参数；研究了力学作用下复合支架材料内MC3T3-E1细胞的生物学响应。得出以下结论：（1）微、纳米HA与CS共混成膜后尺度效应不够明显，对MC3T3-E1细胞的黏附、增殖、凋亡无明显影响。（2）应用石蜡微球做致孔剂可以得到孔隙连通性良好的微、纳米HA/CS复合支架材料，但两种复合支架材料的微观结构参数基本一致。复合支架在溶菌酶的PBS溶液中可以发生降解，在4～8w降解速率大大提高，降解液中还原糖含量随降解时间的延长呈增大趋势。（3）应用基于Micro-CT的有限元方法，可分析不同表观应变下复合支架内部的应变分布，计算出利于细胞生长的最佳表观应变。循环压载荷促进了微、纳米复合支架内MC3T3-E1细胞的BMP-2、ColⅠ的mRNA蛋白表达，但对于OCN蛋白表达无显著影响。.采用低温快速成型法制备了丝素蛋白/双相磷酸钙复合材料；开展了力学载荷对丝素蛋白/双相磷酸钙支架内原位成骨影响的研究。得出以下结论：（1）应用低温快速成形方法制备的丝素蛋白/双相磷酸钙支架大孔直径为200μm，同时具备5μm左右的微孔，通过Micro-CT扫描后在Mimics中建模，可以看出支架内部孔隙具有良好的连通性。（2）支架具有良好的力学性能，随着双相磷酸钙含量的升高，支架的模量呈增大趋势，力学损耗也随之增大，三组支架的模量具有统计学上的差异。MTT、SEM、HE结果表明支架具有良好的细胞相容性。（3）有限元仿真较好地模拟在体加载实验，为建立加载模型提供数据支持。在体力学刺激能够明显提高三维打印支架内的成骨活性，促进成骨，频率1Hz组与10Hz组无明显差别。