基于生物反应器构建微纳结构的承力镁基活性支架修复大段骨缺损的研究

鉴于骨再生的特点，本项目针对"启动细胞快速响应"、"强化促进骨形成进程"和"保障营养传输"的明确需求进行组分和结构设计，引入介孔氧化锆的增韧作用和介孔特性，构建微纳结构的承力镁基活性支架，分析支架的增韧效应和分级结构的可控制备规律；利用纳米技术介导因子，研究生长因子的活性固载和控制释放模式，考察支架的力学性能、生物活性和降解规律；辅以旋转灌注生物反应器提供的培养微环境和应力刺激，探讨调控细胞形貌/密度/分布均匀性、细胞行为、传质和骨相关基因表达的影响因素。进一步进行兔大段股骨缺损修复实验，评价支架组成、不同尺度结构、介孔特征、活性因子、微环境和应力及其理化性能对大段骨缺损的修复作用，揭示支架用于大段骨缺损修复的机制。该项目的研究，可丰富和拓展多级结构支架调控组织修复的研究内容，为骨和其它器官快速再生修复支架的设计提供新思路，也为产生一批采用纳米技术改善硬组织修复治疗效果的潜在产品奠定基础。

大段骨缺损的修复治疗是现代医学力图解决的棘手难题。项目以成分设计和结构控制为切入点，在制备介孔氧化锆的基础上，通过模板法和微喷射自由成型技术（MAM）制备出增韧、多级微纳结构（介孔孔径为7.5nm，大孔孔径200-400μm）的承力镁基可降解支架TMC并进行了活性因子固载。从蛋白构象、ALP活性和细胞矿化、细胞表面受体结合等方面系统深入地研究支架的多级结构对因子生物活性的影响，并探讨了其控制释放模式，同时考察了支架的力学性能、生物活性和降解规律。.针对大段支架传质受限的特点，构建低剪切力和高物质传递效率微重力、适于TMC支架-细胞共培养的旋转灌注式生物反应器，探讨共培养过程中调控细胞分布均匀性、细胞行为、传质和骨相关基因表达的影响因素。研究表明，孔道大小和孔分布均对支架上的细胞黏附性能有着显著影响；此外，相对静态培养，旋转灌注培养具有良好的物质循环方式，强化了传质，使得成骨细胞在相对稳定的环境中粘附、铺展、增殖分化、充分表型和均匀分布。.以兔大段股骨缺损（长度1.6cm ，直径0.7cm）为动物模型，研究该材料在体内的降解和新骨组织生长情况。结果表明，植入3个月后密实新生骨组织沿应力线生长并逐渐转化为成熟骨组织；6个月后缺损基本愈合，新生骨组织已经成熟、致密；揭示了基于生物反应器构建微纳结构承力镁基活性支架促进大段骨缺损修复的机制。.该项目通过纳米效应快速启动细胞响应、借助生长因子强化促进调控细胞分化、利用多尺度效应和动态培养微环境保证细胞的营养传输和调节细胞行为，从而快速修复大段骨缺损；微喷射自由成型技术制备多级孔结构TMC支架，不仅在室温下成型，无需高温烧结，而且实现了对骨修复支架材料外形和内部孔道结构的可控制备。该项目的研究，丰富和拓展了多级结构支架调控组织修复的研究内容，为骨和其它器官快速再生修复支架的设计提供了新思路。.部分科研成果获1项科研成果获2013年上海市自然科学奖一等奖，1项获2014年国家自然科学奖二等奖。共发表文章8篇，其中SCI收录期刊发表文章4篇；出版专著1本（参编）。获得发明专利授权2项。按计划完成预期目标。