基于电纺技术的三维有序堆垛型生物活性玻璃骨组织工程支架用于骨缺损立体修复及相关机理研究

The traditional tissue engineering scaffolds prepared by electrospinning restrict their application in stereo bone repair, because they do not have the volume and pores with three-dimensional size. In this work, we develop a new routine of constructing a 3D stacking type of bone tissue engineering scaffolds with controlled pore size to solve the key scientific problems. Using bioactive glass nanofibers (70SiO2·25CaO·5P2O5) prepared by electrospinning to fabricate a series of tubes with controlled pore sizes on the wall, as bone tissue engineering scaffold basic unit, and building the three-dimensional ordered stacking scaffold by tubes with fasten mould device, and screening suitable process parameters of electrospinning, electrospray and heat treatment for selecting bone tissue engineering scaffold. Modern analysis methods are used to research the influence of number and stacking mode of tubes on the scaffold size and shape of scaffold. To clarify the mechanism of morphology, mechanical properties, in vitro bioactivity and load and release effects of growth factor in the repair of bone tissue. And analysis key materials science and biological mechanisms of 3D stacking bone tissue engineering scaffold on bone repair from the cellular and tissue level. The work will provide an important theory and a new way for bone repair research of electrospinning.

基于静电纺丝法制备的传统组织工程支架因不具备三维尺寸和大孔径而严重限制了其在骨缺损立体修复中的应用。本项目开创性提出构建一种体积、孔径可控的三维有序堆垛型骨组织工程支架用于解决这一关键科学问题。即采用生物活性玻璃（成分70SiO2·25CaO·5P2O5）电纺纳米纤维制备管壁开孔、孔径可控的系列管状物，作为骨组织工程支架基本单元，并采用紧固模具装置对管状物进行三维有序堆垛，筛选适宜的电纺、电喷及热处理工艺参数得到优选的骨组织工程支架。采用现代化分析手段探究支架中管状物堆垛数量、模式对三维支架体积及形状的影响规律。阐明支架形貌结构、力学性能、支架表面矿化机制及生长因子的负载与释放在骨组织修复中的作用及相关机理。并从细胞水平和组织水平解析三维堆垛型骨组织工程支架在骨缺损立体修复中的关键材料学及生物学机制。本课题将为静电纺丝法骨缺损立体修复研究提供重要的理论基础与崭新途径。

伴随着全球性人口老龄化、自然灾害以及交通伤害等问题的日益加重，骨损伤的发病率呈逐年上升趋势。如何更加有效解决骨修复治疗中存在的问题，成为研究者们不断探寻的目标。本项目构建三维尺寸和大孔径的堆垛型骨组织工程支架.通过静电纺丝制备生物活性玻璃纳米纤维管状结构单元，再将若干管状结构单元紧固模具装置有序堆垛排列成特定形状，利用热处理和适当压力使结构单元壁之间发生一定程度的融合，完成相互连接，最终构成具有体积可控的三维大孔径骨组织工程支架。对支架形貌结构、力学性能、表面矿化机制及生长因子的负载于释放等进行表征。结果显示，经过650℃热处理60min为最佳工艺条件，在此条件下，三维支架的管壁纤维发生适当程度的融合，使管状结构单元之间产生连接，而管壁本身的纤维结构未有太大的改变。此时压缩强度可达到3.51±0.45MPa，孔隙率超过80%。继续升高热处理温度或热处理时间延长虽然可以提高力学强度，但管壁纤维融合程度随之提高导致孔径和孔隙率下降。三维管状堆垛支架具有良好的体外活性，矿化程度较高，在3h内可完成对BMP-2蛋白的吸附，并在1周内释放完毕。生物学评价显示出支架可促进MSCs的成骨分化，并对兔桡骨缺损具有较好的修复能力。该项目可为静电纺丝法骨缺损立体修复研究提供崭新途径。本项目执行期间共发表SCI论文8篇，超过预期目标。