密质骨的仿生构建及再生机制研究

It is always an imporant topic in the orthopeadic surgery that the preparation of the tissue engineering scaffolds replaces autografts to repair the segmental bone defects. Although significant progress with respect to bone scaffolds has been achieved, the scaffolds still could not satisfy the demand of the clinic applications due to their defects. Especially, current scaffolds had not the abilities to control spatiotemporally the growth of new bones within scaffolds, thereby the newly-grown bones did not possess the same structures and functions as natural bones. Herein, this program will refer to the microstructres of cortical bone and the forming process of of long bone to design the bone scaffolds biomimetically. Then the designed scaffolds will be prepared using some biomaterials, including biopolysters, calcium phosphate nanoparticles, platlet rich plamsa, and heparin, and by means of some techniques, including three-dimensional printing, plasma surface treatment, and surface biomineralization. Finally, the scaffolds will be characterized biologically, including cellular recruitment, vasculogenesis and angiogenesis, interaction among mesenchymal stem cells, osteoblasts, endothelila cells and osteoclasts, spontaneous assembly of Haverisan system, scaffold parameters of affecting formation of compact bone, etc. Furhermore, this program will explore at the cellular and molecular level the formation mechanism of compact bone within scaffolds.

研制骨组织工程支架替代自然骨用于长骨缺损修复一直成为骨科中的重要研究课题。尽管到目前为止骨组织支架的研究已经取得很大进展，但是其在大段骨缺损修复的临床应用上还有诸多限制，尤其是当前的支架还不具备在微观尺度有效调控新生骨的时空生长,从而不能引导新生骨与长骨密质骨具有相同的结构和功能。为此，本课题拟借鉴长骨密质骨的结构和形成过程来仿生设计用于长段骨缺损再生支架，并拟以生物聚酯，磷酸钙纳米粒子，富含血小板血浆，以及肝素为起始材料，使用三维打印，等离子体表面处理，表面生物矿化等技术制备该仿生支架。获得的支架将进一步进行系列生物学表征，包括细胞的招募和血管的入侵和生长，不同细胞包括干细胞、成骨细胞、内皮细胞和破骨细胞在特定时空内相互作用，哈弗氏系统在支架内的自发组装，影响密质骨形成的各种支架因素等。本课题并籍此从细胞及分子学水平探索拟研制的仿生支架引导形成密质骨的生物学机制。

因各种原因导致的骨缺损，当大于关键尺寸后，需要进行植骨填充再生修复。当前能用于植骨的材料主要有自体骨、异体骨和人工骨。使用自体骨和异体骨，有各种限制，所以发展人工骨一直成为骨科领域的一个重要课题。当前的植骨材料，除了自体骨，其它的成骨或许都很低。特别是人工骨，由于受制造技术及对生物医学认知的限制，当前的人工骨的成骨活性非常低。特别是当前的所有的除自体骨外三植入材料，植入到患者体内后，在初期通常只能形成波纹骨，这就极大的限制患者的愈合过程。为此，本课题提出，使用3D打印技术并结合骨的生物学特征构建能再生密质骨的人工骨支架，并通过系列生物学实验，详细的研究由支架介导密质骨再生的过程。为此，本课题首先制备了不同的骨支架，包括支架的孔隙直径、孔结构，支架表面的拓扑学结构等，然后研究了制造的支架的系列生物学性能，包括支架的细胞相容性、能介导干细胞成骨分化的各种材料学因素、如材料硬度，表面维纳米结构等对干细胞的生物学行为的影响等。进一步的。把研制的支架进行体内植入研究，考察了支架在体内的系列生物学行为，包括血管的入侵，及新骨形成。更重要的是，考察密质骨的最小单元，哈弗氏形成及能形成该结构的材料学因素。通过系列研究。实验结果证实了本课题研制的骨支架具有优良的生物相容性，体外细胞实验证实研制的支架能诱导干细胞朝成骨方向分化，特别是表面具有微纳米结构的支架，能快速介导干细胞成骨分化。体内实验证实，本课题研制的支架能很好的介导组织形成密质骨，密质骨的形成与支架的孔隙直径直接相关。同时，在支架植入体内时，对支架与宿主的血液接触时至关重要的，该条件是形成哈弗氏系统的关键因素之一。总之，本课题的结果很好的证实了课题的立题假设，并证实通过支架设计，研制的人工骨能很好的介导宿主再生形成密质骨。本课题获得的成果，即研制出的能形成密质骨人工骨支架，可以很好的开发成为产品，为骨缺损患者的快速骨愈合带来福音。