骨-植入物界面生物功能设计与仿生微环境构建方法研究

Using implant to reconstruct bone tissue structure and function is the main treatment for the modern science of bone. The application of orthopedic implant has achieved great success. However, the long-term clinical application also exposed many problems, especially in variant response, service life, etc. It cannot well meet the requirements of clinical application. The fundamental reason is that the implant exists in the body as a foreign body. The regulation of protein adsorption and cell behavior on implant surface/interface is the key to control and guide its biological reaction, avoiding foreign reaction. This project intends to design a kind of implant interface with macro- micro-nanometer hierarchical structure. At the macro level, the design of 3d pore structure can realize effective mechanical support for newly formed tissue, and bone- implant interface mechanics adaptation. In micro scale, the biomimetic microenvironment will be constructed within the macro pores according to the extracellular matrix structure characteristics. Blending bioactive molecules in microenvironment will be performed to form controlled release system. The synergy of bioactive molecules and biomimetic microenvironment will realize the regulation of protein adsorption and cell behavior, inducing tissue regeneration and reconstruction, and giving implant biological functions. The performance and service life will be improved. Thus the quality of life of patients will be improved. The results will be beneficial for the development and clinical application of a new generation of hard tissue surgical implants and can provide a reference and theoretical basis.

利用植入物重建缺损部位骨组织的结构和功能是现代骨科学的主要治疗手段。植入物的应用虽已取得极大成功，但是，长期临床应用亦暴露出不少问题，突出表现在异体反应、服役寿命等不能很好地满足临床应用的要求。其根本原因是植入物基本上以异物存在体内。调控植入物表面/界面对蛋白的吸附、进而细胞行为，是控制和引导其生物学反应、避免异体反应的关键。本项目拟设计一种宏观-微观-纳米分级结构植入物界面，在宏观层面上，设计三维孔隙结构，实现对新生组织的有效力学支撑，以及骨-植入物界面力学适配；在微纳尺度上，模拟细胞外基质的结构特征，在宏观孔隙内部构建仿生微环境；将生物活性分子融入微环境，形成可控缓释系统；通过生物活性分子和仿生微环境的协同作用，实现蛋白吸附和细胞行为的调控，诱导组织再生和重建，赋予植入物生物功能，提高其性能与服役寿命，从而改善患者的生活质量，为新一代硬组织外科植入物的开发与临床应用提供参考和理论依据。

由于疾病、创伤和老年化等原因造成的大范围骨缺损的修复与替代，以恢复肢体功能，是人类几个世纪以来不断深入研究的重要课题。然而迄今为止，临床上对大范围骨缺损的治疗仍是世界难题。利用植入物重建缺损部位骨组织的结构和功能是现代骨科学的主要治疗手段。植入物的应用虽已取得极大成功，但是，长期临床应用亦暴露出不少问题，突出表现在功能性、免疫性、服役寿命等不能很好地满足临床应用的要求。其根本原因是植入物基本上以异物存在体内。调控植入物表面/界面对蛋白的吸附、进而细胞行为，是控制和引导其生物学反应、避免异体反应的关键。设计具有不同三维孔隙结构的支架模型，利用有限元软件分析各种孔隙模型的力学特性，通过设计优化孔隙率、孔径、空间架构等孔隙结构特征，来调控支架的力学性能，使其具有较高机械强度的前提条件下，具备与骨组织相匹配的结构刚度。利用激光选区熔化成形增材制造技术制备多孔钛支架，通过光学显微镜和扫描电镜检测发现，多孔钛支架孔隙特征与设计特征一致。利用压缩试验检测多孔钛支架的力学性能，发现孔隙率65%-80%、孔径约300-800微米的多孔钛抗压强度可达50~190 MPa，弹性模量仅为1.52~4.63 GPa，能够很好地实现与人体骨组织力学性能的匹配。采用碱热处理方法，在多孔钛支架孔隙表面构建了微纳米结构形态；筛选与细胞外基质（ECM）组分相似的天然聚合物材料，如：海藻酸钠、壳聚糖、丝素蛋白等材料，结合热诱相分离方法，在多孔钛孔隙内具有微纳米特征的仿生微环境，将生物活性分子与仿生微环境复合，形成了缓释系统。通过接种成骨细胞，并复合培养4天和7天，发现细胞在仿生微环境中的增值、活力和碱性磷酸酶表达明显高于单纯多孔钛，表明仿生微环境具有更好的促成骨功能。动物实验结果显示，仿生微环境中的新骨形成量显著高于其他对照组，证明生物活性分子和仿生微环境的协同作用，对新骨的形成，植入物与宿主骨的整合具有很好的促进作用。