基于流体力学的多孔骨支架材料微结构内细胞动态变化规律的可视化研究

Tissue engineering researches are largely constrained by the performance of the bioreactor, and the bioreactor's perfusion effect on cell materials has already called for academic concern. Cells survival in the center of the material depend on the continued supply of nutrition. In our previous studies, we have constructed the "in vivo bioreactor" with perfusion effect. Our preliminary studies have shown that it has the basic elements of the bioreactor, but the perfusion processes, materials' micro-structure and the seed cells' dynamic vary law, as well as the interaction mechanism have not been elucidated. The existed dose-effect relationship need to be studied immediately. Our group took the controllable porous bio-ceramic material microstructure as basis to build the transparent glass model which was fully match with the bioreactor. We also used calculated fluid dynamics to analyze the nutrition transport, cell dynamic change, and used digital from coke PIV experiment system to visual observe and calculate the flow field on the materials. So we can clarify the internal mechanism between the fluid dynamics in bone scaffold material's micro-structure, the cell deposition and the nutrition flow characteristics. We are able to analyze the dose-effect relationship between perfusion fluid dynamics parameters, materials' micro-structure and cell adhesion, nutrition transport. So we can provide a theoretical basis which can help to put forward the reasonable scientific design concept about bioreactor and the material micro-structure, as well as the precise parameter system and provide a new visualized methods in later relevant research.

组织工程研究很大程度上被生物反应器的性能所制约，生物反应器的灌注效应对细胞材料的影响已被学术界所关注。材料中心细胞的存活依赖于持续的营养供给。本课题组在前期研究中已经构建出具有灌注效应的"体内生物反应器"，初步研究显示其具备生物反应器的基本要素，但灌注工艺、材料微结构与种子细胞动态变化规律的相互作用机制尚未阐明，存在的量效关系亟待研究。本课题组基于可控多孔生物陶瓷材料微结构，制造与其完全匹配的透明玻璃模型，通过计算流体动力学方法分析材料内营养物质输运、细胞的动态变化，并采用数字离焦PIV实验系统对材料内流场进行可视化检测与计算。以此阐明骨支架材料微结构内流体力学影响细胞沉积、营养物质流动的内在机制，分析灌注流体力学参数、材料微结构和细胞附着、营养物质运输效果之间的量效关系，为提出科学合理的生物反应器、材料微结构的设计理念和精确参数体系提供理论基础，并为以后相关研究提供新的可视化观测方法。

骨组织工程的发展为大段骨缺损的治疗难题提供了广阔前景。在细胞种植阶段将细胞分散接种到多孔支架材料内，对随后培养细胞增殖和组织再生起着至关重要的作用。在灌注种植中，支架结构、种植条件等诸多因素都直接影响到最终种植结果，仅依靠长周期的实验是昂贵费时且盲目的。因此，本项目旨在建立流体动力学模型，从细胞尺度和孔隙尺度研究分析细胞-壁面粘附作用、支架结构、灌注参数与细胞迁移分布、粘附沉积的影响规律和作用机理，揭示多孔骨支架材料微结构内的细胞动态行为，为细胞种植技术的发展和优化提供理论依据和指导。主要完成工作如下：.建立了多孔支架复杂结构内流动以及细胞变形、迁移、粘附的多尺度计算模型。基于侵入边界-格子Boltzmann方法建立了流体动力学求解模型，并进行理论验证。利用全息光摄技术对老鼠骨髓间充质干细胞进行了力学特性测定并构建本构模型。通过拟合细胞变形曲线获取了细胞模型参数，随后利用微流道芯片对细胞在流动挤压中的变形做了进一步实验验证。.简化结构内细胞动态粘附行为的模拟研究。应用以上构建的数值模型，首先研究了在线性剪切流中细胞的粘附规律，系统分析细胞变形性、粘附键断裂速率、形成速率与细胞粘附态的内在关系。再针对参数化的简化孔隙结构，分析细胞迁移、粘附规律，研究结构参数的影响。.对于复杂多孔支架结构内细胞灌注种植规律的研究。基于micro-CT成像重构和数值重构的支架多孔三维模型，首先研究了支架结构对其内部流动特征的影响，获得了孔径与连通径对渗透率、速度场、剪切应力分布的影响规律。最后，计算分析了细胞群在支架材料内的迁移、粘附行为以及灌注速率、细胞灌注浓度、细胞粘附强度的影响。