热致形变AAC基复合生物材料的设计及其修复不规则骨缺损的研究

Amino acid copolymer (AAC) with good mechanical properties and thermally induced deformation at ordinary temperatures will be prepared. Nano magnesium silicate fibre (nMS) /AAC porous composites with good biocompatibility, bioactivity, degradability and the special function of easy shape under at ordinary temperatures (50-60℃)will be developed by using 3D print molding method, which could be used for repairing irregular bone defects. The effects and mechanism of composition, porous structure, surface micro-morphology and chemical properties of porous composites on osteoblasts behaviors such as cell adhesion, proliferation, differentiation and functions, and bone related gene expression will be studied by cell culture. The effectiveness of porous composites used for spinal fusion and skull defect repair will be evaluated, and the mechanism of porous composites degradation and promoting osteogenesis in vivo will be evaluated by animal model experiments. The biocompatibility, biosafety and biological functionality of porous composites will be comprehensively evaluated through both in vitro and in vivo biological experiments. The relationship of composition and structure, performances (thermally induced deformation, bioactivity, degradability), and functions (promoting osteogenesis) of nMS/AAC porous composites will be elucidated, which will provide new idea for developing new implantable materials of bone regeneration with special biofunction, and provide experimental data for clinical application.

针对不规则骨缺损的修复，设计力学性能优良、热致形变的氨基酸共聚物（AAC），采用3D打印技术制备纳米硅酸镁纤维（nMS）/AAC复合多孔骨修复材料。调控3D打印工艺参数，赋予复合多孔材料优良的生物相容性、生物活性和降解性，在常温下（50-60℃）热致形变（任意塑形）的特殊性能。采用细胞培养，研究nMS/AAC复合多孔材料的组成、孔结构、表面微观形貌和化学特性等对成骨细胞/骨髓基质干细胞行为（如粘附、增殖与分化）和功能的影响，及骨相关基因表达的影响及机制。通过动物实验，研究复合多孔材料用于脊柱融合和颅骨缺损修复的有效性，揭示其体内降解和促进成骨的机制。通过体内外生物学试验，评价复合多孔材料的生物相容性、安全性和功能性。阐明nMS/AAC复合多孔材料的组成结构与其性能（热致形变、生物活性、降解性）及功能（促进成骨）的关系，为设计特殊生物功能的骨再生材料提供新思路，为临床应用提供实验依据。

本项目研制出硅酸镁/氨基酸共聚物复合材料，并将其制备成多孔支架用于骨修复研究。项目合成了纳米硅酸镁纤维和硅酸镁微球（MS），采用熔融共聚法合成了氨基酸共聚物，并采用原位共聚法合成了硅酸镁/氨基酸共聚物复合材料。研究了氨基酸共聚物的降解和力学性能及热变形性能；研究了硅酸镁形貌、含量以及氨基酸共聚物组成和合成条件对复合材料性能的影响。硅酸镁含量增加，复合材料的力学强度增加、降解速度更快、亲水性更好，微球硅酸镁基复合材料的力学强度优于纤维硅酸镁基复合材料。组成不同的氨基酸共聚物降解性能不同，直链氨基酸（氨基己酸和氨基丁酸）越多，降解越慢，合成反应时间越长，降解越慢。在模拟体液中浸泡后复合材料表面能够形成钙磷沉积物，显示材料具有良好的生物活性。复合材料具有良好的生物相容性和安全性，能促进成骨细胞黏附、增殖和成骨分化，硅离子和镁离子同时存在时，效果更佳且能提高ALP、Runx2、OCN等成骨相关基因表达。 .采用不同方法制备了多孔复合材料，研究了方法对多孔材料的结构和性能的影响。制备方法不同，多孔材料的孔隙结构、降解和力学性能明显不同。3D打印多孔材料具有全通孔隙结构，但工艺不稳定；注塑法制备的多孔材料力学强度最高，降解速度慢，但通孔率最低。粒子滤沥法制备的多孔材料孔隙率最高，但力学强度不足。多孔复合材料在模拟体液中浸泡后表面生产沉积物，且硅酸镁含量越高，表面沉积物越多。多孔复合材料降解较复合材料快，降解过程中材料能够在降解过程中释放出硅镁离子，促进细胞粘附与增殖以及基因表达。将复合多孔材料植入动物颈椎探索用于脊柱融合修复可行性。多孔材料植入体内后能够与骨组织形成骨整合，且骨组织能够长入孔隙内。将多孔材料植入到兔颅骨后观察到复合多孔材料逐渐降解并被新生骨组织代替，说明多孔材料能够促进骨组织修复。该多孔材料在骨修复领域具备良好的应用前景。.