新型蜂巢状骨组织工程支架材料的结构仿生设计与性能研究

Due to the bad mechanical properties of currently available materials for bone tissue engineering, we proposed a novel structural bionic design of comby scaffold materials. Honeycomb has the significant advantages, including low high porosity, high level of porosity, and high strength, etc. Based on the structure characteristics of honeycomb, we prepared a porogen template using RP (Rapid Prototyping), and then suspensions containing hydroxyapatite/chitosan composite was added into the template. The dry pressing and cold isostatic pressing method were used for compostite materials in order to enhance its mechanical strength. The comby scaffold can be obtained by the dissolution of porogen template. For optimizing structure design parameters, the mechanical properties, such as compression strength, pressive strength, Young's modulus, Poisson's ratio, etc, were detected. The tissue engineering bone of cell-scaffold+BMP was implanted into bone defects in order to exam it's osteoconductibility. This comby material, which has both porous structural feature and good mechanical properties, is expected to be used as a promising bone scaffold for bone repair.

本课题针对骨组织工程多孔支架材料力学性能差的缺陷，提出了蜂巢状骨组织工程支架材料的结构仿生设计。依据蜂巢质量轻、孔隙率高、机械性能好的结构优点，首先以三维打印技术模拟蜂巢的空隙结构获得造孔模板，再以羟基磷灰石/壳聚糖酸悬浮液灌模。利用单轴干压加冷等静压的二次成型技术对材料进行成型。溶解去除造孔模板后即可得到仿蜂巢结构的三维多孔支架材料。体外构建由细胞-支架+骨形态发生蛋白所形成的组织工程骨，并进行体内植入实验。探讨蜂巢结构的几何参数与支架材料力学性能之间的关系，优化结构设计参数。研究二次成型中压力及加压时间对支架材料力学性能的影响，优化成型条件。研究成骨细胞与材料的相互作用，以及组织工程骨对骨缺损的修复能力。以期获得具有良好机械性能及良好成骨能力的骨组织工程骨，解决支架材料多孔结构与力学性能之间的矛盾，达到对骨缺损的修复及功能重建的目的。

项目背景：支架材料是骨组织工程不可或缺的要素之一，为骨缺损提供了细胞生长支架，帮助骨组织的修复及重建。骨细胞在支架材料上的培养要求材料的孔道能相互贯穿，以利于营养成分的传输及细胞的生长迁移。但材料的多孔结构却导致其力学强度显著下降。目前各种多孔支架材料的力学强度还不能完全满足临床上对骨植入材料的力学强度要求。因此，攻克骨组织工程多孔支架材料力学强度差这一大难关，对于人工骨材料成为真正意义的骨组织工程人工器官至关重要。.主要研究内容：以脲酶法制备纳米羟基磷灰石/壳聚糖，获得有机-无机有序交替结构的复合材料。通过对蜂巢的仿生，利用RP技术设计出与其结构相应的造孔模板。建立力学分析模型，从生物力学角度进行参数优化，获得相同相对密度条件下蜂巢结构支架的最佳几何构型。冷等静压技术进一步提高支架材料的力学性能。材料的生物相容性评价及成骨性能测试。.重要结果：本项目以RP技术设计的蜂巢型多孔支架结构力学性能比正四形、正五边形孔道更优。蜂巢型多孔支架的力学性能的影响因素包括：孔隙率、大孔孔径、侧孔孔径、大孔间距以及侧孔间距。制备的蜂巢型多孔支架材料具有高多孔率、高力学强度的优点。同时材料具有良好的生物相容性，能促进骨细胞的生长及增殖。总之，该支架材料在骨组织工程中有良好的应用前景。.关键数据：本项目设计的蜂巢型高多孔率多孔支架材料具有良好的力学性能，其抗压强度为1.62±0.22 Mpa，压缩模量达到110±22 Mpa。其抗压强度和压缩模量均接近于松质骨。同时，这种蜂巢型多孔支架材料具有良好的生物相容性：毒性测试结果合格，对碱性磷酸酶的活性无影响，细胞的蛋白质分泌活动旺盛，培养5d后实验组总蛋白含量为对照组总蛋白含量的189%。前成骨细胞MC3T3-E1在支架材料上生长良好。材料具有良好的成骨活性。.科学意义：本项目实现的结构仿生构建人工骨支架材料的方法为组织工程多孔支架材料的设计及制备提供了新的思路，实现了结构设计获得力学性能优良的多孔材料。同时，本项目中冷等静压技术的新的应该方式也为进一步提高多孔材料的力学性能提供了可能。总之，本项目成功制备了力学性能优良的支架材料，这一成功将在骨组织工程领域产生深远的影响，为广大骨科疾病患者带来福音，具有重大的理论意义和现实临床意义。