微结构可控的三维多孔支架内流体剪应力和物质输运对骨（干）细胞的微调控规律研究

Bone tissue engineering is one of the main focus of bone reparation, where the fluid flow is widely applied. However, how the fluid shear stress and mass transport regulate the growth of bone formation cells in three dimentional porous scaffolds remains unclear, especially in its local postion (where we called micro-regulation). The numerical calculation results from others and ours showed that the shear stress and mass transport differ greatly in the local position of scaffolds with well defined inner-structure. In this study, we will discuss these regulation rules and influences of scaffold surface calcium and type I collagen ratios and the gravity directions, using both the experimental and numerical methods. First, scaffolds with well-defined inner-structrue will be utilized. The growth of osteoblasts/bone marrow stem cells as well as the fluid shear stress/mass transport in the local position of scaffolds will be tested and calculated. The relationship between shear stress/mass transport and the growth of cells will be obtained. Then the scaffolds without well-defined inner-structure will be applied to test the rules. The results from this study could be used to optimize the fluid conditions where the bone cells need, to predict the growth of bone cells in scaffolds and bone matrix, to make the bone physiological and pathological phenomena clear, or even to change the fluid condition so as to control the growth of bone cells to treat bone diseases.

骨组织工程是近年骨修复的重点和热点，其中流体流动常被采用。然而流体产生的剪应力和物质输运调控三维多孔支架中骨种子细胞生长分化的规律并不清楚，特别是在支架内局部位置的规律（我们称为微调控规律）。前人和我们的数值计算表明，微结构均匀支架内的不同位置，剪应力和物质输运差别多达几十倍，可能引起局部位置细胞不能生长的情况。本研究结合实验与数值计算两种手段，首先利用微结构均匀可控的三维多孔支架，建立灌流装置，测试支架内局部位置成骨/骨干细胞的生长分化状况，结合计算得到流体剪应力和物质输运对成骨/骨干细胞的微调控规律，并探讨该规律受支架表面钙与I型胶原比例及重力矢量方向的影响；进而采用微结构非均匀的三维多孔支架验证得到的规律、优化条件和适用性。研究对优化骨种子细胞需要的流体环境，预测流体作用下骨细胞的生长分化状况，解释骨生理/病理现象，改变骨细胞所处流体环境，治疗骨折等疾病提供重要参考。

日常活动，如走、跑、跳等都会给骨组织进行力学加载。体内外的研究显示，力学刺激是调控骨组织生长的重要手段。为此，作为近年骨修复的重点和热点，骨组织工程研究中常会采用力学刺激调控骨细胞的生长，其中作为最容易施加的有效调控手段，流体流动产生的剪切应力常被采用。因此，流体剪应力调控细胞的生长及机理是需要搞清楚的基本科学问题。此外，骨组织中还存在各种生长和细胞因子，这些因子单独或联合力学刺激调控骨组织细胞的生长及机理也是另一个值得研究的基本科学问题。在这样的背景下，本项目1）采用数值计算方法，量化了微结构均匀的三维多孔支架内的流体剪应力和物质输运在不同微位置的情况。该研究建立了在多孔支架中流体剪应力和物质输运的计算方法，提供了可参考的具体数据。2）构建了能稳定运转的、对三维多孔支架中细胞进行力学加载的实验装置，建立了在三维支架中比较均匀接种细胞的方法，测试了接种的成骨细胞（MC3T3-E1）和骨细胞（MLO-Y4）株在流体剪应力作用下的粘附、增殖和分化。该研究建立了在多孔支架中接种细胞以及对接种的细胞提供流体剪切应力的实验方法，其结果也提供了参考数据。3）基于在体内和体外的连续力学加载中，骨及其细胞的力敏感性（或骨生成响应）会随着时间的延长而下降，但是如果在连续力学加载过程中插入休息（或静止）过程，则骨及细胞的力敏感性会恢复，又增加骨生成响应。但其中的机制不清楚。我们对此进行了详细研究。研究结果为促进骨生成的力学加载方式提供了理论依据。4）基于在体内和体外的实验中，加入合适量的前列腺素E2（PGE2）会增加骨生成，但其中的机制不清楚。我们对此进行了详细研究。研究结果为PGE2促进骨生成提供了理论依据。5）采用实验结合理论计算，量化了骨组织中，日常活动产生的力学加载范围所引起的物质输运，描述了骨细胞所处的微流体环境。研究结果为骨组织内的物质输运提供了定量数据。