通过注塑加工形态控制制备高分子仿生骨及其性能研究

Due to the insufficient mechanical performance, the application of polymer bone substitutes has been limited to none or minor load-bearing fields despite their good biocompatibility and bioactivity. It has been well established that the outstanding mechanical performance of natural bone stems from the ordered hierarchical structure of bone units, which align in a preferred orientation. Thus, mimicking the composition and structural features of natural bone provides possible design solutions for fabricating the artificial bone and becomes a hot frontier in today’s biomaterial science. In this proposal, we plan to make a combination of bionic principles and structure manipulation to prepare the biomimetic polymer bone. In the injection molding, a controllable and intense shear flow is employed to induce a large amount of oriented self-reinforced superstructure, i.e., shish-kebabs and interlocked shish-kebabs, which share the structural similarity with the aligned collagen fiber in the natural bone. Under the premise of holding the biological properties, the considerable mechanical reinforcement is gained, enabling the prepared bone-mimetic composites to serve as moderate or even major load-bearing bone substitutes. We intend to reveal the effects of processing fields on the formation and regulation of the biomimic self-reinforced superstructures, further setting up the “processing-bionic structure-performance” interrelation. The biological performance is also evaluated. The obtained fundamentals will offer theoretical guidelines and technical assistance for manufacturing biomimetic polymer bone with superior mechanical performance.

高分子基骨替代材料虽具有良好的生物相容性和生物活性，但由于力学性能的不足，限制了其在承重骨替代领域的应用。材料结构学证实骨基本单元定向有序规则排列所构筑的层级结构是天然骨优异力学性能的本质原因，通过模仿天然骨的组成和结构特征获得仿生人工骨因此成为当今生物材料研究的前沿课题。本项目拟将仿生原理与高分子加工定构相结合：在注塑过程中，利用可控的强剪切流动场诱导高分子骨修复复合材料的高分子组分生成大量取向自增强结构（如串晶、互连串晶等），其在结构上类似于天然骨的胶原纤维束，实现结构仿生。在不影响材料生物活性的前提下，大幅度提高力学性能，从而满足承重骨替代的性能要求。揭示加工外场参数对仿生自增强结构生成与演化的影响规律，建立高分子基仿生骨“加工-仿生结构-性能”关系，系统评价仿生骨的生物学性能，为制备高性能高分子仿生骨提供理论指导和技术支持。

高分子基骨植入复合材料已用于替代和修复颅骨、中耳骨、下颚骨等非承重或低承重骨。但由于其力学性能差，难以满足承重骨或密质骨的替代要求。针对此瓶颈问题，本项目提出利用加工形态结构调控制备高分子仿生骨的研究思路，主要取得如下重要发现：通过注塑定构加工的强剪切场和高分子熔体的松弛效应，实现梯度取向仿生骨结构的构筑，其外层高度取向、内层取向度较低，与天然骨结构相似，实现结构上的仿生。相比于常规高分子复合材料，仿生骨复合材料的强度和韧性均提升一倍以上，不仅为调控高分子仿生骨材料的多层次结构提供了理论基础，也为增强其他高分子复合材料提供了新方法。我们将该思路进一步拓展到高强度超高分子量聚乙烯（UHMWPE）人工关节材料的加工和结构调控中，在内部生成大量取向片晶，实现力学性能的显著增强，并且通过我们提出的抗氧剂复配和多酚辅助交联策略，提高了UHMWPE人工关节材料的综合性能。通过定构加工和合理复配生物活性填料，实现高分子仿生骨力学性能和成骨活性的同时改善，克服了传统骨植入材料添加生物活性填料牺牲力学性能的问题；利用表面刻蚀暴露结晶型高分子自身的片晶结构，同时引入聚多巴胺自聚涂层，构筑了仿生纳米拓扑结构，发现纳米拓扑结构和化学线索协同促进细胞增殖分化和成骨相关蛋白的表达，为提高高分子仿生骨的生物活性提供了新思路。此外，本项目在高分子仿生多孔支架、亲水润滑气管导管等方面开展了研究工作，并取得良好结果。本项目既完成了计划研究内容，又有所扩展。相关研究成果已发表高水平论文20篇，申请授权国家发明专利7件，发表会议论文14篇。培养硕、博士研究生14名（博士5名、硕士9名），其中已毕业7名。