复合细胞的预血管化大块生物骨构建及多增材制造工艺与试验研究

Bone vascularization is the key of realizing massive bone defects regeneration of in clinical. Biological bone and the key technology of the inner vasculature forming facility are the research focuses of biomanufacturing field. It’s also an urgent technical problem for people to repair bone defects and needs to be solved urgently which has far-reaching research value and broad application prospects. This project is aimed at the key technology and take the vascularization of massive bone scaffolds as research target, composite the technical advantages of 3D printing, cell assembly, subtractive manufacturing, and so on, apply the analysis methods of rheology, multiphase flow theory, CFD and numerical analysis, study the manufacturing method of scaffolds with multi-materials, multi-structure, multi-cells and multi-scale vascular networks. Moreover, composite forming technology of three-dimensional multi-scale vascularization channel in bone scaffolds is studied. Numerical simulation is used to establish the coupling relationship between factors such as temperature and electrical field, and the regulation mechanism and control strategy of key setup and parameters. Printing and test platform of massive bone scaffolds with prevasculature is established based on research results and performance test research is also studied and validity of the technology and process is verified to provide theoretical support and test data for the composite printing facility of massive bone scaffolds with prevasculature.

骨血管化是临床实现大块缺损骨修复的关键，而生物骨及内部血管网络成形设备的关键技术是生物制造领域的研究重点，是人类修复骨缺损迫切需要解决的技术难题，具有深远的研究价值和广泛的应用前景。本项目正是瞄准该关键技术领域，以解决大块骨支架的血管化为研究对象，综合3D打印、细胞组装、减材制造等技术优点，运用流变学、多相流理论、CFD和数值分析等方法，研究其多材料、多结构、多细胞、多尺度血管网络的骨支架制备机理和方法，研究骨支架的三维多尺度血管化通道的综合成形工艺，通过数值模拟建立其温度场和电场等因素间耦合关系，以及关键机构及参数的调控机理、控制策略。利用研究成果建立复合预制血管网络的大块骨支架综合打印的试验平台，并进行预制血管网络的大块骨支架性能试验研究，验证其技术和工艺的正确性，为预制血管网络的大块骨支架综合打印设备提供理论支持和试验数据。

大块骨支架的预血管化是研究大块骨修复的关键技术。本项目以血管化的大块骨支架为对象，综合3D打印、减材制造（牺牲材料）和细胞组装等工艺的特点，采用流变学、多相流理论、CFD和数值分析等方法，提出了多工艺融合的含预制血管网络的大块骨支架复合成形机理，形成了含三维多尺度血管化通道的大块骨支架成形工艺及方法，并取得了以下研究成果：1) 构建了不同成形工艺与血管化通道之间的理论关系模型，获得了工艺参数对预血管化通道成形性能的影响关系；2) 基于流体力学性能和CFD理论，对不同结构的血管化通道进行通道表面剪切力模拟分析，构建了血液流动在含有三维血管网络的生物支架中的数学模型；3) 依据实验结果，分析了各参数对血管化通道成形效果的影响，验证了理论关系模型和模拟仿真的有效性；4）对含预制血管化网络通道的大块骨支架的细胞相容性和血管化功能进行了验证，并验证了含预血管化通道的骨支架的生物相容性；5）通过材料挤出成形和空间结构血管化通道成形工艺的试验研究，建立了复合预制血管网络的大块骨支架综合打印的试验平台。通过试验验证了研究理论和技术的正确性，为推进复合预制血管网络的大块骨支架的成形设备提供理论与试验支持。本项目研究工作顺利开展，共计发表SCI论文20篇，申请发明专利9项，授权发明专利9项，转化发明专利6项，参加国内外学术会议8次，培养了硕士研究生14名，博士研究生2人，完成了各项既定目标