活性关节软骨支架的多尺度设计及连续梯度化仿生制造

3D printing technology of embedded functional cell hydrogel is expected to completely solve the difficult problem for the repair and reconstruction of clinical cartilage defect. However, the bionic fabrication of articular cartilage with complex layered and gradient structures is still a technical challenge in current tissue engineering. Based on the composite forming mechanism of hydrogel ion crosslinking and light curing, this project proposes a multi-scale design and continuous gradient bionic fabrication method of embedded cells, growth factors active articular cartilage scaffold by using the multi-scale numerical calculation combined 3D hydrogel deposition technology. According to the anatomical structure and mechanical characteristic of articular cartilage, the corresponding mathematical models of multi-layer organization based on statistical laws will be established. Combined with the design of cellular microenvironment, a multi-scale design method from micro to macro for cartilage scaffold will be formed. Finally, the gradient bionic fabrication theory and method for the active articular cartilage scaffolds will be formed by studying the continuous gradient laying process and forming mechanism of cells, growth factors, hydrogels and some other biological materials. The project provides a theoretical basis and technical support for promoting the development and clinical application of new-generation tissue-engineered cartilage scaffolds and is of great significance to the health and medical undertakings in our country.

内嵌功能细胞水凝胶3D打印技术的出现有望彻底解决临床软骨缺损修复与重建的难题，但关节软骨复杂层状、梯度化结构的仿生制造仍是当前组织工程所面临的技术挑战。本项目基于水凝胶离子交联与光固化的复合成型机理，提出利用多尺度数值计算结合水凝胶3D沉积技术实现内嵌细胞、生长因子层状连续梯度化渐变结构活性关节软骨支架多尺度设计及仿生制造的方法。以关节软骨的解剖学结构和力学特征为依据，建立相应基于统计学规律的多层组织数学模型，结合细胞微环境的设计，形成从微观到宏观软骨支架的多尺度设计方法。研究细胞、生长因子、水凝胶等多生物材料的连续梯度化铺放工艺及成型机理，形成活性关节软骨支架的梯度化仿生制造理论与方法。项目为推动新一代组织工程软骨支架的发展及临床应用提供理论基础与技术支撑，对我国健康医疗事业具有重要意义。

软骨是一种细胞密度低、代谢活性低的无血管组织，软骨损伤的治疗一直是骨科医生面临的主要挑战与难题。自组织工程技术概念提出以来，尽管以设计、制造具有生物活性并可用于临床移植的软骨支架为终极目标的软骨组织工程在软骨修缺损修复方面已取得了诸多突破性的进展。但截至当前能够应用于临床的新一代工程化仿生关节软骨仍未出现，关节软骨复杂层状、梯度化结构的仿生制造仍是当前组织工程所面临的技术挑战。研究细胞、生长因子、水凝胶等多生物材料的连续梯度化成型工艺及机理，形成活性关节软骨支架的梯度化仿生制造理论与方法，对新一代组织工程软骨支架的发展及临床应用具有重要的科学意义和实用价值。项目组严格按照研究计划开展研究，顺利完成了项目的主要研究内容，取得了预期的研究成果，达到了项目的结题要求。项目围绕层状多级结构软骨支架仿生设计与制造，基于水凝胶的复合交联固化成型机理，提出了微观分子模拟结合方法结合宏观实验的多尺度软骨支架设计方法，建立了水凝胶基体材料的分子模型，从微观分子层面阐明了材料组分、结构、性能间的量化关系，揭示了不同组分间的相互作用机理，实现了细胞微环境的优化设计；自主设计并搭建了气动挤压成型系统，通过对气压的闭环控制，实现了生物材料挤出量的实时精准控制及不同组分材料在成型平台上的连续梯度铺放；利用有限元数值模拟和实验方法研究了复合水凝胶材料的挤出沉积工艺，阐明不同工艺参数对水凝胶沉积的影响，实现了工艺参数的优化；结合打印平台和工艺，制备了系列生物支架，利用实验检测方法对所制备支架的理化及生物性能进行了表征，进一步验证了成果的可靠性。