基于骨质疏松性股骨界面微/纳结构仿生设计及制造基础研究

With increased human longevity and ageing population, osteoporotic fracture and its complications have been a grave threat to public health. Artificial joint replacement is clinically one of the most effective treatment methods for osteoporotic fractures. And the healing quality of bone-implant interface is the deciding factor in the success of this surgery. Therefore, controlling the healing of bone-implant interface is one of key technical problems needed to be solved in the application foundation of orthopaedic implants. On the basis of earlier research , firstly this project aims to reveal new rules of the effect of interfacial micro/nano functional structure on the bone-implant interface healing from the perspective of bionics design, considering synthetically multilevel interfacial micro/nano structural features in the physiological environment of osteoporosis. Secondly we will explore a new compound forming process of complex manufacturing of micro/nano functional structure by building up the model and theory of interfacial micro/nano structure. Finally we will explore the theory and method of bionics design and manufacture of osteoporotic interfacial micro/nano structure features by the evaluation and decision on the complex structure bionics design and manufacture through experimental animal models, thus we will establish the theoretical foundation for the improvement of the healing quality of bone-implant interface in the physiological environment of osteoporosis.

随着人类寿命的延长、人口老龄化，骨质疏松性骨折及其并发症已严重威胁公共健康。髋部是骨质疏松性骨折的好发部位，人工关节置换手术是临床上治疗骨质疏松性骨折最有效的方法之一，植入体与骨界面的愈合质量是决定手术成败的关键因素。因此，控制界面愈合是骨植入体应用基础研究亟待解决的关键技术问题之一。本项目基于前期研究基础，拟从生物仿生设计角度出发，综合表征骨质疏松生理环境下股骨界面多级微/纳结构特征，揭示界面微/纳功能结构对骨界面愈合影响的新规律；建立微/纳结构表面的复杂仿生优化设计模型和理论，探索复杂功能结构微/纳制造的复合成形新工艺；并通过实验动物模型对其复杂结构的仿生设计和制造进行反馈评估与筛选，从而探索出骨质疏松性股骨界面微/纳功能结构特征的仿生设计和制造的理论和方法，为提高骨质疏松生理环境下植入体-骨界面的愈合质量奠定理论基础。

背景：植入体与骨界面的愈合质量是决定骨质疏松性骨折手术成败的关键因素。因此，控制界面愈合是骨植入体应用基础研究亟待解决的关键技术问题之一。为提高骨植入材料的骨整合性能，多孔金属材料成为骨植入体的重要研究方向之一。同时从仿生学的角度出发，对多孔钛材表面纳米结构改性，从而进一步提高钛合金的骨整合性能。预测性评估新型骨植入体用于人体的生物安全性及骨整合性能至关重要，研究成骨细胞与材料间的体内外相互作用以及材料对成骨细胞生物学性能的影响能直接反映材料对骨整合的有效性。.主要研究内容：1）从生物仿生设计角度出发，综合分析骨质疏松生理环境下股骨界面多级微/纳结构特征，建立微/纳结构表面的复杂仿生优化设计模型和方法。2）通过冷冻铸造制备多孔钛植入体，旨在保证孔隙形状和孔径大小的前提下获得满意的力学性能，同时将多孔材料表面纳米化改性，进一步提高骨植入体的骨整合性能。3）通过生物相容性实验和体内外成骨实验评价致密和多孔钛植入体的生物安全性和骨整合性能。.重要结果、关键数据及其科学意义：1）建立股骨界面微/纳观结构形貌、表面成分及空间立体可制造特征数据库。2）通过冷冻铸造法成功制备出多孔钛植入体试样，浆料中钛粉和莰烯（成孔溶剂）的体积比、烧结阶段的温度和烧结时间影响多孔钛试样最终的孔隙度、孔径大小及力学性能，钛体积百分比含量为10%，烧结温度为1200℃且烧结时间为1小时，多孔试样的孔隙度、孔径大小及力学性能参数最优。3）对致密及多孔金属钛试样进行生物相容性的综合性评估，致密钛和多孔钛试样具有良好的生物相容性，符合临床应用要求。植入体的多孔结构和孔隙中的三级纳米结构影响体外成骨细胞的增殖、分化、黏附性能和体内骨形成、沉积和钙化。纳米改性后的多孔钛随着培养时间的延长，成骨细胞的增殖、分化、黏附活性高，在多孔钛孔隙中分化更加成熟，形成牢固的生物性骨嵌合，为复杂微/纳观结构多孔钛植入体的制备及临床应用提供实验依据和奠定理论基础。