脉管嵌入式缺损颅骨复合支架的增材制造及其血管化方法研究

Scaffold implantation is becoming a potential technology for defect cranium restoration in tissue engineering. However, there still exist some problems in clinical application, such as cells cannot immigrate into the scaffold center, the quantity of bone formation is limited, and large area bone tissue cannot be built, ect. The mainly reason is lacking of blood supply to the cells. So the biggest obstacle to cranium restoration is that scaffold cannot occur vascularization after implantation. Through analysis of the native diploe vein image, this project intends to design a parametric vessels embedded compound scaffold, which will have a blood vessel characteristics in structure. By reasonably preparing material and formulating process, the compound scaffold will be fabricated using additive manufacturing technology. A dynamic hemoperfusion system will be developed and the compound scaffold will be performed blood perfusion. So cells will get sufficient blood and nutrients supply, and obtain the fluid shear stress stimulation simultaneously. Thus their survive rate will be improved. By applying Computational Fluid Dynamic (CFD) technology, the scaffold vascularization mechanism, regulation method under the perfusion condition will be investigated. Thereby scaffold vascularization will be effectively proceeded, and a new blood network will be formed with higher osteogenesis rate. The study will provide a basis for scaffold vascularization in vivo and beneficial to the clinical application of the tissue engineering scaffold.

颅骨组织工程支架植入已成为修复缺损部位一种新手段，然而在临床应用中尚存在问题，主要表现在细胞不能深入支架的中心，骨形成量有限，不能构建大块骨组织等。究其原因在于细胞缺乏血液供给，作为细胞生长的载体，支架植入后不能发生血管化是目前的最大障碍。本课题通过对天然板障静脉的影像学分析，拟设计一种参数化的脉管嵌入式颅骨复合支架，使多孔支架在结构上具有血管特征；合理地配备材料并制定工艺路线，应用增材制造技术，实现该种复合支架的生物材料成型制造；研制动态血液灌注装置对该复合支架进行灌注，使细胞得到血液营养供给的同时，也获得流体的剪切应力刺激，提高其存活率；运用计算流体动力学（CFD）技术，研究灌注条件下复合支架血管化的发生机理和调控机制，有效地促进新血管的形成，从而实现支架的血管网的重建，提高成骨率。研究将为支架植入体内发生血管化奠定基础，也为颅骨组织工程支架的临床应用提供新途径。

骨组织工程技术在颅骨修复中发挥着重要的作用，但支架仍存在细胞无法深入内部，组织生长受限等问题。其重要原因之一，在于支架内部缺乏充足的营养与血运供给。因此设计具有血管结构的支架，是组织工程技术的关键内容。为此，本课题通过对人体颅骨板障静脉的分析，对血管支架的仿生设计、制备工艺以及细胞支架体外整合等内容进行系统的研究，取得了如下成果。. (1) 对风干、新鲜两种颅骨样本进行显微CT扫描，采用形态学与区域生长算法检测颅骨样本中的板障静脉，分析其血管段长度、半径与体积等形态参数，提取出板障静脉的整体拓扑与局部分叉特征，为血管仿生设计提供理论依据。.(2) 提出网络套嵌、二分叉结构的血管仿生设计方法。定义马赛克结构与中心线模型，开发多层嵌套算法设计空间网络血管结构；定义二分叉结构与血管路径模型，开发迭代算法构建分叉型血管结构。该设计方法可解决现有血管支架的设计难题。. (3) 研制MEP-2型高低温双喷头生物3D打印机。高温喷头采用螺杆挤出、分区控温的方式，精准控制材料熔融挤出，最小出丝直径达0.1mm。常温喷头采用丝杠止推注射器挤出，最小出丝直径为0.16mm。该生物打印机可实现复合材料一体化打印，为血管支架制备提供技术支持。.(4) 提出增材制造、复模两种脉管嵌入式支架制备工艺。增材制造以海藻酸钠和丙烯酰胺作为支架基质，以异麦芽糖醇为血管芯轴，通过芯轴打印与包埋制备网络型血管嵌入式支架。复模工艺通过乳液聚合法制备支架基质，采用模具浇铸制备二分叉型血管嵌入式支架。对两种支架的形貌、精度及毒性的分析，证明了制备工艺的可行性。.(5) 开发动态灌流装置，结合仿真分析，实施支架与HUVECs体外培养，分析血管形成机理。实验结果表明，血流剪应力会引起HUVECs伸长，且随着灌流时间的增长而增大，利于生成顺应性更好的血管结构，可促进类血管的形成。.科学意义：提出具有板障静脉特征的血管嵌入式支架的创新设计理念，并结合动态灌流的体外培养更好地揭示血管形成过程，为骨组织的再生提供新途径。