生物相容的颗粒增强形状记忆复合材料本构理论及其骨组织修复结构优化设计

In order to solve the problems existing in the treatments of bone defects, the constitutive theory of biocompatible SMPC (Shape Memory Polymer Composite) reinforced by particles and the optimal design of osseous tissue repair structures will be investigated in this project. The basic theoretical framework for describing particle reinforced SMPC will be established, as well as the thermodynamic free energy equation and a three-dimensional constitutive theory. The mechanical properties of Fe3O4 nanoparticle reinforced SMPC will be evaluated, and the parameters of osseous tissue repair structures will be optimized by finite element analysis. Combined with the excellent shape memory properties and biocompatibility of SMPC, three-dimensional (3D) printing technology was utilized to accurately construct osseous tissue repair structures. Related parameters to fabricate Fe3O4 nanoparticles reinforced PLA(Polylactic Acid)-based SMPC using 3D printing will be optimized. The actuation behavior under magnetic fields, degradation experiments, and in vitro cytotoxicity tests will be performed to demonstrate the feasibility to apply PLA-based SMPC and their osseous tissue repair structures in biomedical fields.

本项目针对目前骨缺损修复疗法存在的不足，结合形状记忆复合材料具有的记忆特性和生物相容性，并结合三维打印技术，开展具有颗粒增强形状记忆复合聚合物材料(Shape Memory Polymer Composite, SMPC)本构理论及其骨组织修复结构优化设计的研究。建立描述颗粒增强SMPC热力学基本理论框架，构建其三维本构理论，进行纳米四氧化三铁颗粒增强SMPC的优化设计和力学性能评估，并通过有限元分析对骨组织修复结构进行参数优化。采用三维打印技术制备聚乳酸SMPC的骨组织修复结构，利用四氧化三铁纳米颗粒对磁场变化的敏感特性和生物相容性，进行骨组织修复结构在磁场作用下的驱动研究、降解实验和体外细胞毒性实验，验证聚乳酸SMPC及骨组织修复结构用于生物医学领域的可行性。

随着医疗，制造等高技术产业的飞速发展，传统的骨组织支架已经不能充分满足人类社会发展的需要。其结构正在从“面向性能”向“面向功能”转变，兼具承载与功能特性的多功能的结构显得越来越重要。本项目针对目前骨缺损修复疗法存在的不足，结合形状记忆复合材料及三维打印技术，开展形状记忆复合聚合物材料(Shape Memory Polymer Composite, SMPC)本构理论及其骨组织修复结构优化设计的研究。构建了热-力耦合场作用下的颗粒增强形状记忆聚合物复合材料的热力学自由能方程，该模型能够有效的预测不同颗粒含量下的复合材料的力学性能和热力学性能。将纳米四氧化三铁颗粒与形状记忆聚合物混合制备了具有磁响应特性的形状记忆聚合物复合材料，并研究了具有不同含量的纳米四氧化三铁对复合材料力学性能和形状记忆性能的影响，确定了最佳的颗粒含量。通过仿生设计，结合3D打印技术，设计并制备了多孔骨组织支架，建立了骨组织支架的有限元模型，并对骨组织修复结构在磁场作用下的展开过程进行了研究，仿真结果和实验结果表明该结构能够顺利的展开。对骨组织支架进行了体外细胞毒性试验，生物相容性等生物学性能的测试，结果表明该支架具有优异的成骨能力。