大尺寸仿生骨/软骨关节支架的增材制造与功能评估

Joint injury and damage often cause diseases that directly affect human daily living, therefore the clinical medicine has urgent demands for large-scale osteochondral defects. The manufacturing of the large-scale customized osteochondral scaffolds remains one of the significant challenges in tissue engineering field. For the purpose of repairing large-scale osteochondral defects, it is necessary to investigate the biomimetic design, rapid prototyping of multi-materials cartilage-bone scaffolds and functional evaluation of customized engineered tissues. The project will focus on the biomimetic design of large-scale cartilage-bone constructs, precision manufacturing of multi-materials and multi-scale composites based on SL technology, and the development of functional bioreactors integrating both the biotribological testing and tissue-culture functions for the large scale cartilage-bone scaffolds. The effectiveness of the novel scaffolds will be evaluated through in vivo large animal models. By investigating the biofabrication methods addressing multi-materials and multi-scales, this project has the potential to provide a spring board for the development of functional living joint tissues, with both mechanical and biological functions similar to those of the natural tissue, in terms of scientific foundation and engineering technologies.

关节损伤是危害人体运动功能的多发疾病，临床医学对大面积骨/软骨缺损的再生修复有迫切需求。定制化大尺寸骨/软骨支架设计制造成为关节组织工程发展面临的重大挑战。本项目以大尺寸骨/软骨缺损为研究对象，针对大尺寸支架在体内的力学和生物学环境需求，提出了骨和软骨组织同步制造和体外评估方法。项目围绕多材料与宏微观骨/软骨支架设计制造和功能评价方法开展研究工作。主要研究内容包括：大尺寸骨/软骨支架的仿生结构设计方法；多材料和多尺度结构支架精确光固化增材制造原理与设备；建立具有生物培养功能的摩擦磨损体外功能评估系统；通过动物实验验证设计制造的有效性。项目通过研究多材料与宏微尺度结构制造方法，为发展具有良好力学和生物学功能的人工活性组织关节提供科学基础与工程实现方法。

关节损伤是危害人体运动功能的多发疾病，尤其是随着人们寿命的增加和生活节奏的加快。临床医学对大面积骨/软骨缺损的再生修复有迫切需求。目前人工关节置换虽然具有短中期疗效，组织工程方法也只限于小尺寸支架制造和小尺寸缺损修复的有效性，因此，定制化大尺寸骨/软骨支架设计制造及临床使用仍面临重大挑战。本项目研究了大尺寸多材料与宏微观骨/软骨支架在体内的生物力学和生物学环境，骨和软骨组织设计及同步制造方法和体内、体外功能评价体系。建立了大尺寸骨/软骨支架的仿生结构设计，开发了基于人体下肢的多尺度多物理多体动力学计算机模拟方法并对支架进行了优化设计。首次成功地在世界上将关节的生物力学模型，关节的有限元模型和关节表面的摩擦学模型相融合，建立了人体膝关节的设计、手术和患者于其相应的生物力学的定量关系，并进一步揭示了关节的力、运动等生物力学参数和关节表面的摩擦、磨损等生物摩擦学参数的耦合机理；揭示了多材料和多尺度结构支架的光固化增材制造的精确成形原理，搭建了1套实验加工平台，形成了变参数的自动化控制方法和工艺优化方法，制备出φ10-30mm的大尺寸多材料骨软骨关节支架；完成了耦合生物培养功能的活性关节体外功能评价系统的设计、构建、测试评估以及应用、实现了大尺寸活性关节的体外无菌功能评价，并且通过体外培养实验和大动物羊/狗18个月的体内实验，揭示了包括力学环境和生物学环境耦合的多物理场因素对骨/软骨组织性能及功能的调节机理，验证了新型大尺寸复合支架植入山羊膝关节缺损处后具有良好的固定及组织相容性，发现仿生设计和固定装置的支架为植入初期提供了良好的力学支持，后期可诱导周围细胞的迁徙与增殖，术后骨软骨缺损被新生软骨样组织填充，手术膝关节功能长期良好。验证了大块骨软骨关节体的设计和制造的有效性。项目通过研究多材料与宏微尺度结构制造方法，为发展具有良好力学和生物学功能的人工活性组织关节提供了科学基础与工程实现方法。