基于ECM的骨组织诱导型支架的研究

Repair of diaphyseal bone defects and special form of replacements are challenging problems for orthopedic surgeons. Fabrication of bioactive scaffolds via simulating extracellular matrix (ECM) components and the three-dimensional structure of bone tissue is an emerging field of bone tissue engineering and regenerative medicine. In this study, osteoblasts are seeded on the three-dimensional (3D) scaffolds with both their micro-nano structure and mechanical properties similar to natural cancellous bone under mechanical loads. After removal of the cells, bioactive scaffolds coating ECMs are generated. Then osteoblasts and bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs) are re-seeded on 3D scaffold coating ECMs. Osteoinductive potential is determined by cellular and molecular biological methods, biochemical and histochemical techniques. In addition, osteoinductive capability in vivo of the cell/scaffold complex is investigated. This study will fabricate a novel bioactivity scaffold folllowing the principle of biomechanics and bionics for bone tissue engineering and repair of bone defects. It provides new ideas in the field of bone repair material and mechanical biology.

大段骨缺损修复和特定形态骨功能重建，是临床骨科领域的难题。采用仿生理念，通过模拟骨组织细胞外基质（ECM）成分和三维结构，研制出有利于骨再生和修复的组织诱导型生物活性支架材料，是骨组织工程和再生医学的新兴领域。课题首先将成骨细胞接种在具有与天然松质骨相同三维微纳结构的支架材料上，在力学载荷作用下培养细胞-支架复合物。通过脱细胞技术，保留支架中天然ECM结构和活性成分，制备出一种新型的骨组织诱导型生物活性支架材料。利用生物反应器模拟体内环境，采用细胞分子生物学和组织化学方法，考察该支架材料的成骨诱导活性；同时将细胞支架复合物植入动物骨缺损模型或皮下，考察其体内诱导成骨能力。课题可为骨组织工程和骨损伤修复领域提供有突破性的，更符合生物力学和仿生学原理的支架材料，为骨修复材料和骨力学生物学研究提供新思路，开拓新领域。

研究通过模拟天然松质骨结构和ECM活性成分制备出更符合仿生学原理的骨修复支架材料，并且通过模拟体内力学刺激恢复骨植入体的力学环境，为临床提供用于骨修复的生物活性支架材料。研究内容包括以下六部分：.1.以聚己内酯（PCL）为原料熔融法3D打印快速成型法制备骨支架。并以天然骨的结构为标准，考察其结构参数和力学参数的符合程度即结构适配性和力学适配性。研究发现随着支架间距的增大，PCL支架的弹性模量随之降低，300μm 间距的支架弹性模量最高，60.9MPa，接近天然兔股骨松质骨53.11MPa。.2.根据目标天然骨的结构和力学标准，选择纤维间距为300μm的PCL支架作为生物活性诱导型支架的骨架制备ECM仿生支架，制备过程中施加生理应变在表观应变为1000με和3000με的力学压载力，促使成骨细胞分泌各种活性物质，最终形成一定形貌和具有活性成分ECM；对支架“涂层”ECM的形貌和有效诱导成分进行检测。研究发现随着力学压载强度的增大，ECM面积和密度均显著增加。力学压载增加ECM中羟脯氨酸和糖胺聚糖的含量，相应的提高了胶原I和纤维蛋白的水平。.3.经力学加载ECM修饰的诱导型支架提高了支架上成骨细胞的成活率， 并提早成骨标志物的顺序表达时间，最终提高OCN的表达量。.4.将ECM诱导型PCL支架原位植入兔骨缺损处，模型2个月接近愈合，显示其诱导骨形成性。.5.对支架进行三维结构拓扑优化设计以解决支架受力性能不好的问题。但是目前激光成型技术只应用于光敏材料和金属合金材料，对于生物可降解材料目前还在试验中。.6.利用3D仿生支架建立过载力诱导的疲劳性骨损伤的三维组织工程化模型。研究结果发现表观应变为10000uε时，每天加载2h， 8天出现成骨细胞凋亡，可有效模拟疲劳性骨损伤发病机制。选用藏药蕨麻中提取的单体野蔷薇苷对抗过载力诱导的成骨细胞凋亡。研究发现10-8M野蔷薇苷可有效降低细胞内游离钙离子含量和凋亡各指标基因和蛋白表达。.结构仿生、力学仿生、生物活性仿生和制备过程仿生是仿生骨支架的四大要素。课题可为骨组织工程和骨损伤修复领域提供有突破性的，更符合生物力学和仿生学原理的支架材料。