三维打印具有可控大孔和空心管结构的海藻酸钠/纳米介孔生物玻璃支架用于骨组织工程

The regeneration of large bone defects is one of most challenging issues clinically. Bone tissue engineering approach has come into focus as an alternative source for large bone regeneration. However, up to now, the osteogenesis in the inner of large-size scaffolds is not quite ideal, in which one of major reasons is the insufficient vascularization in the inner of lager-size scaffold. Therefore, cells in the inner of scaffold could not survice due to the lack of transportation of nutrition and oxygen. For solving this problem, the aim of this project is to fabricate alginate/nano mesoporous bioglass scaffolds with controlled macro pores and hollow channel structures by 3D printing technique. This novel scaffold have improved space for cells ingrowth，permeability of nutrition and oxygen and vascularization in vivo due to the introducing of macro pores and hollow channel structures. The significance of this project is that the study will provide novel methods to potentially solve the issues of insufficient osteogenesis in the inner of large-size scaffolds.

大块骨缺损修复是众多临床骨缺损治疗病例中最具有挑战性的问题之一。虽然骨组织工程为解决骨修复提供了一种比较优越的方法，但是在修复大块骨缺损中，大尺寸支架材料仍然存在缺乏有效成骨的问题，其中一个主要原因就在于支架内部成血管化比较低，由此引起支架内部的细胞由于营养和氧气供应不足而死亡。为了有效的解决这个问题，本项目的主要研究目的是利用三维生物打印技术结合设计的壳核打印喷头来制备新型的结构可控的空心管堆积起来的海藻酸钠/纳米介孔生物玻璃复合支架。通过引入大孔和空心管结构来提高支架内部细胞的贴附和生长空间、营养和氧气的渗透性以及体内的成血管化，从而改善支架内部细胞由于营养和氧气供应不足而死亡和体内成血管化不足等问题。本项目将为解决组织工程研究领域中大块支架材料内部 “成骨不足”等关键性问题提供新思路和新方法。

大段骨缺损修复目前依然是临床的一个巨大挑战，这其中最主要的一个原因是大块支架内部由于空间不足而导致细胞的黏附和成活比较低。本项目的研究主要是要采用三维打印技术制备出一种新型的同时含有大孔和空心管结构的支架，该支架能提高支架内部细胞的生长空间和营养、氧气的传输，从而起到提高细胞在大块支架中央的存活和成功能化（成骨、成血管化等）的能力。通过本次项目的研究，我们首先成功的制备了同时含有大孔和空心管结构的支架，并且可以精确的控制大孔和空心管的尺寸大小。细胞的实验表明该支架能提高细胞的黏附和增殖（最高可以提高4倍）。体内的动物实验（兔子的股骨）表明，空心管的结构显著的提高了体内的成骨效果。新骨组织能够沿着空心管生长。表明了支架的结构对于体内的成骨有着重要的促进作用。其作用机理主要是空心管的结构提高了细胞的黏附空间，氧气及养分的运输。同时，空心管结构提高了支架的比表面积，有着更高的离子释放，释放的钙、硅等离子对体内的成骨有着积极的促进作用。通过研究材料的组分、支架的结构对细胞的影响，来阐明“细胞-材料-结构”的关系等问题，为组织工程和再生医学的研究提供了重要的科学价值。另外，我们还通过原位矿化的方法，在支架的表面构建一层均匀的纳米羟基磷灰石仿生结构，结果也大大的提高了细胞的黏附、增殖以及成骨分化的能力。总的来说，本项目的研究成果为解决大块支架内部细胞黏附低、成骨不足等关键科学问题提供了新的思路。对于解决临床骨缺损修复具有潜在的应用价值。