光固化原型软骨/骨关节体的功能化结构与时效力学分析

软骨自我修复能力差造成软骨损伤渐进式发展而破坏整体关节，最终导致关节运动功能受限甚至丧失。软骨/骨关节体为关节组织修复提供了新途径，但其固定方法和功能稳定性的评价方法是研究不可回避的关键问题。本项目以光固化原型工艺为基础，结合微观有限元建模技术，构建软骨/骨关节体的多材料光固化原型实验平台和功能评价平台。主要研究：软骨/骨关节体原位长合过程中的时变结构力学行为和时效力学性能的稳定性；关节多组织系统的工作原理和软骨/骨关节体微/宏结构与生物活体组织的界面作用机理；生物活体组织生长和软骨/骨关节体时变结构力学的计算机数值模拟模型和功能化结构优化技术；开展软骨/骨关节体的仿生多组织系统结构与固定方法的创新性设计。本项目为功能化软骨/骨关节体的应用化研究提供切实可行的解决方法，也是面向生物活体组织生长机理的基础理论研究，为面向多组织修复的人工替代物的功能化设计提供理论依据。

本研究属于仿生人工关节的研究范畴，研究内容为人工软骨/骨关节体的仿生设计、光固化定制成型多材料支架、组织工程化及其与时间相关的力学特征研究。本项目集中于研究关节结构特征与力学耦合关系，根据人、猪、犬、羊等的动关节，特别针对关节软骨及软骨与骨结合界面结构与力学特征，建立软骨双相力学测试分析方法和多种关节模型及其接触力学分析模型，针对人工植入物(人工假体和骨软骨支架)的功能需求，建立了多材料大块软骨/骨关节体功能化仿生设计方法和固定机构。.针对含水凝胶的成型和固定难，以及多孔陶瓷力学强度不足等问题，本研究基于SPS450光固化成型机建立了光固化实验平台和镁合金等灌注系统实验平台，开发了水凝胶光固化成型技术和金属或高分子聚合物增强型多孔陶瓷支架成型技术，形成了以聚乙二醇和胶原水凝胶为软骨体，复合镁合金或高分子聚合物的增强型陶瓷骨体的多材料软骨/骨关节体的工艺方法和固定技术。.完成了兔和犬股骨头大块骨软骨缺损修复的动物实验研究，发现所构建的软骨/骨关节体具有良好的生物学功能和良好的关节软骨修复作用，而且多孔陶瓷通过对骨长入的诱导作用不仅有利于支架的固定，而且其过程与水凝胶软骨体力学和可降解性特征差异的作用，将直接影响缺损区软骨的再生过程。本研究在动物实验基础上进一步建立了接触力学模型分析评价其与周围组织的动态生物力学关系，提出新的关节大块缺损植入物替代或修复过程中人工骨软骨支架的功能评估方法，为评价人工内植入物的生物学性能与应用前景提供了新的评估手段。.在本项目研究阶段，课题组全体与会务组共同完成了2012年度召开的国际生物摩擦学大会。大会依托本项目受到国家自然科学基金委拨款人民币4万支持（No.51210305022）。在这次大会上受邀的英国利兹大学、日本九州大学、美国Zimmer公司研发总监姚建清博士、韩国Sejong大学Lee KY教授等交流国内外软骨修复的最新技术，共同探讨关节及软骨研究的未来方向。此次大会中确定的面向软骨机械性能和摩擦学性能，关节软骨再生过程中力学性能与生物学性能的转换关系等的研究热点，为本项目再生软骨的研究提供了新的思路。本项目已有研究成果包括申请专利8项(已授权2项)，发表文章15篇(国际期刊3篇，国内核心期刊12篇)，培养博士后2名，研究生10名(博士2名，硕士8名，已获学位7名)。