力学刺激对二级三维结构仿生骨支架内成骨效应的影响

Human bone realizes the biological and mechanical requirements through a very complex way combine the organic matrix and the inorganic framework closely together. Bone diseases needs lots of bone scaffold materials, but traditional processing method is difficult to precisely control the pore structure inside the material and the inter pore connectivity, and this will affect the blood circulation and nutrition metabolism in the scaffold seriously. 3D macroporous structure can be fabricated by low-temperature rapid prototyping. The fabricated materials has a lot more micro holes by solvent distillation during freeze-drying, at the same time, biological activity of the material doesn't change because low temperature forming. Biomimetic bone scaffold material with three-dimensional structure of two-level will be constructed through the bionic principle with silk fibroin, collagen and hydroxyapatite. The three raw materials have good biocompatibility, and the mechanical properties and degradation properties of the scaffolds can be adjusted by the ratio of the three. The stress distribution in the scaffold can be analyzed by the finite element method, to study the effect of mechanical stimulation on the cell growth, differentiation and functional status in the scaffold, and to study the effect of the mechanical stimulation on osteogenesis effect in vivo. This will provide a theoretical basis for the treatment of bone defect, and to solve clinical problems.

人体骨组织通过非常复杂的方式巧妙地将有机的骨基质结构与无机框架结构紧密地结合起来，实现了生物和力学上的要求。骨缺损等骨科疾病的治疗需要大量的骨支架材料，传统的加工方法很难精确控制材料内部的孔隙结构，且孔隙间的导通率很难保证，严重影响支架内血液循环、营养代谢。采用低温快速成型技术可构建所需的三维大孔结构，材料经过冷冻干燥后溶剂升华，构建出大量更为微细的孔洞，同时低温下成型避免了由于热相变的存在对材料生物活性的影响。本研究采用丝素、胶原、羟基磷灰石为主要原料，通过仿生原理构建具有二级三维立体结构的仿生骨支架材料，三种材料均具有良好的生物相容性，通过调节三者的配比可以控制材料的力学性能和降解性能；通过有限元分析力学作用下支架内部的应力分布，研究力学刺激对于支架内细胞生长、分化和功能状态的影响，进而研究力学刺激对动物体内支架成骨效应的影响，为骨缺损治疗提供理论依据，解决临床实际问题。

骨组织通过非常复杂的方式巧妙地将有机的骨基质与无机框架紧密地结合起来，实现了生物和力学上的要求，骨组织微观结构的形成是对力学环境长期适应的结果。本研究以丝素、胶原、羟基磷灰石为主要原料，采用低温三维打印技术与冷冻干燥技术相结合，通过调节材料混合比例及打印参数，制备了丝素/胶原/羟基磷灰石仿生骨支架材料，成型后的支架与Solidworks软件设计的模型形态及尺寸基本一致，没有发生收缩和变形，扫描电镜结果显示仿生骨组织支架为大孔及微孔共存的二级三维多孔立体结构，很大程度上体现了天然骨组织的特点。支架在小于105 kPa压应力时会发生部分形变而且在液态环境下能够完全恢复，保持稳定的力学状态，可发挥力学支撑及传递作用。.将MC3T3-E1成骨前体细胞接种于支架材料上进行体外培养，倒置显微镜及扫描电镜结果显示支架表面有大量MC3T3-E1细胞粘附，伸展充分，大孔径孔壁上细胞粘附生长良好，说明低温三维打印技术联合冷冻干燥技术制备支架过程中未破坏原材料的生物活性，且二级三维多孔结构为营养物质的提供以及细胞代谢废物的排出提供了通道。结果表明接种到3D打印支架材料上的MC3T3-E1细胞的COLⅠ、ALP及OCN基因及蛋白较单纯冷冻干燥支架有较高的表达。对支架进行体内外降解实验，结果表明支架具有可生物降解性。.在四点弯曲加载板上制备丝素/胶原/羟基磷灰石复合膜，对膜性能进行表征并研究力学载荷作用对复合膜上成骨细胞的影响。通过有限元分析力学作用下支架内部的应力分布，研究了力学刺激对于支架内细胞生长、分化和功能状态的影响，经过动态力学加载后，支架内细胞的BMP-2、COL-I、OCN mRNA及蛋白表达明显增加，表明适当的力学刺激有利于成骨细胞的分化。.在山羊胫骨制备长25mm、宽10mm的单层皮质骨缺损，术后2周利用振动台进行间歇性力学刺激（振动频率35Hz，每天30min），观察动态力学刺激对骨缺损处骨组织生长的影响。实验结果表明适当的力学刺激对动物体内支架成骨效应的具有积极的作用，为骨缺损治疗提供一定的理论依据。