仿生结构组织工程骨-软骨的构建与应用研究

目前的组织工程还不能完全实现骨-软骨联合修复，普遍存在生成的透明软骨组织比例较小、骨-软骨复合组织的各项性能不能长期保持稳定、骨支架亲水性相容性不够、细胞种植密度低等问题。本项目利用仿生学原理，①开发快速成形新工艺、新喷头，成形内PLGA外胶原材料的包芯结构骨支架提高骨支架亲水性；②成形基于软骨基质材料的定向结构软骨支架；③构建细胞微囊定位挤出系统，提高支架细胞植入深度和植入密度。最终制造出材料、结构、细胞分布高度仿生的组织工程骨-软骨支架，再利用骨髓腔和关节腔的不同生长环境对于细胞分化的决定性作用以及不同功能因子的诱导达到同时诱导骨和软骨组织再生的目的。本研究的成功，将在解决骨-软骨复合缺损修复难题方面取得突破性进展，实现组织工程骨-软骨的联合修复。

目前用组织工程方法实现骨软骨一体化修复面临诸多问题，存在生成的透明软骨组织比例较小、骨软骨复合组织的性能不能保持稳定、支架亲水性相容性不够、细胞种植密度低等问题。.本项目基于仿生学原理，提出了“定向结构软骨支架-隔离层-包芯结构骨支架”的工艺路线和组织工程骨-软骨构建修复方案，制备出材料、结构、细胞分布高度仿生的骨软骨复合支架，并利用骨髓腔和关节腔的不同生长环境对于细胞分化的决定作用达到骨和软骨同时再生的目的。.项目系统研究了与组织工程骨-软骨构建相关的仿生学原理、工艺原理与装备、工艺过程的参数控制等制造科学基础问题,以及动物模型构建和评价等科学与技术问题。主要包括：（1）软骨、骨组织工程支架材料选择及结构设计；（2）定向结构及包芯结构支架成形的新工艺、新装置；（3）基于细胞微球的骨支架细胞高密度种植技术；（4）骨软骨复合支架成形工艺设计及参数研究；（5）定向结构软骨支架、包芯结构骨支架及其复合支架的生物学评价等。.主要成果有：（1）模仿天然关节软骨细胞外基质的空间结构，设计了具有取向大孔和贯通小孔的定向结构软骨支架，应用“壳聚糖-软骨细胞外基质”的仿生材料体系和定向结晶热致相分离的成形工艺制备了该结构支架。（2）基于低温沉积技术开发了专用喷头及成形工艺，应用“PLGA/TCP-I型胶原”材料体系制备了I型胶原包裹PLGA/TCP丝、网格状的包芯结构骨支架，支架亲水性相比传统的真空吸附胶原法提高了170%。（3）设计并构建了致密层，骨、软骨两种支架通过“溶解粘接”工艺实现有效粘接，通过界面隔离层作用维持修复过程中骨和软骨体系微环境的差异。（4）构建细胞微球定位挤出系统，证明计算机辅助细胞微球定位技术可提高细胞植入深度和植入密度，并获得更好的细胞均一性。（5）对定向结构软骨支架、包芯结构骨支架、骨软骨复合支架分别进行了体外实验、动物实验和生物学评价，结果表明：该定向结构软骨支架和包芯结构骨支架材料体系与细胞相容性好，定向结构软骨支架有利于细胞沿材料定向方向生长排布，包芯结构骨支架有利于细胞贴附和增殖，骨软骨复合支架复合MSC细胞后植入深达骨髓腔的兔关节软骨及下骨复合缺损部位，180天后结果表明，软骨和软骨下骨同时再生，新生组织和周围正常组织连接良好。.本项目为骨-软骨复合缺损修复提供了新的技术方案并解决了支架构建的一系列科学基础问题，项目成果具有广泛的临床应用前景。