基于股骨髁Micro-CT图像的仿生骨软骨双层支架的研制及动物实验研究

骨软骨联合损伤常见且修复困难。本研究拟基于股骨髁负重区骨小梁结构的Micro-CT三维重建图像，利用三维快速成型系统制备微结构和力学特性上仿生的三维骨组织工程生物陶瓷支架，并以此为基础，结合软骨细胞外基质材料，利用定向结晶结合冷冻冻干技术制备软骨部分具有取向结构的、一体化、仿生骨软骨双层支架。该双层支架优点是两部分结合紧密，各部分不仅具有不同的孔径、孔隙率等形态结构，且分别由不同降解速率和性能的材料所制备，可分别满足骨和软骨组织修复的要求。将脂肪基质干细胞向软骨、骨方向诱导分化后接种到支架相应部位，构建工程化骨软骨复合体，修复大动物（山羊）膝关节负重区骨软骨缺损，对修复结果进行连续、动态的观测。本课题是计算机辅助、快速成型、组织工程等技术领域的紧密结合，实现符合股骨髁负重区骨软骨结构和力学特性的真正重建，是一种骨软骨复合组织再生和重建领域的全新模式，给进一步临床应用提供理论依据和奠定基础。

骨软骨联合损伤常见且修复困难，组织工程技术为治疗骨软骨缺损提供了新的方法。本研究主要包括： ① 仿生骨支架制备:基于股骨髁负重区骨小梁结构的Micro-CT三维重建图像，利用三维快速成型系统制备出微结构仿生的三维骨组织工程生物陶瓷支架,并具备良好的生物相容性和成骨性能，但其力学强度不足；为克服研制的双相钙磷陶瓷力学强度不足的问题，利用新的脱细胞方法研制出新型脱细胞骨基质材料，评估其具备良好的力学特性、微观结构和生物相容性。② 软骨支架制备：利用脱细胞技术联合冷冻冻干技术等制备出软骨细胞外基质来源的系列支架，包括单纯纳米级软骨细胞外基质（CECM）支架，壳聚糖/软骨细胞外基质复合支架、丝素蛋白支架等，体内外检测其具备良好的微观结构、良好的生物相容性和成软骨骨性能；并体内外成功培养出软骨样组织。③ 骨软骨支架制备：利用研制的新型脱细胞骨基质材料和纳米级软骨细胞外基质材料，利用相分离技术结合联合交联技术，制备出细胞外基质来源的一体化、仿生骨软骨双相支架。该双层支架优点是两部分结合紧密，各部分不仅具有不同的孔径、孔隙率等形态结构，且分别由天然细胞外基质来源的不同降解速率和性能的材料所制备，可分别满足骨和软骨组织修复的要求。④ 种子细胞方面：传统的TGF-β等生长因子配成的诱导液可将干细胞诱导为软骨细胞，但由于诱导液需要大量生长因子，费用昂贵，因此临床应用受到限制，本研究探索了与脂肪干细胞（ADSCs）软骨细胞共同培养的方式定向诱导分化ADSCs，结果表明通过与软骨细胞共同培养，脂肪干细胞可以定向分化为软骨细胞。⑤ 成功将细胞外基质来源的骨软骨双相支架应用于体内动物实验膝关节骨软骨缺损的修复，结果表明其成功修复了膝关节股骨髁负重区的骨软骨联合缺损；发现未能成功修复动物股骨头大面积骨软骨缺损，股骨头最终塌陷，修复效果不佳，并探索了其原因但分析其失败原因对我们进一步改进支架具有积极的重要意义。⑥ 下一步研究方向：带“界面结构”的骨软骨支架。已经利用丝素蛋白和纳米羟基磷灰石，初步研制出带“界面结构”的一体化骨软骨支架材料并进行初步评估。本课题是紧密结合生物材料、组织工程学与临床医学的交叉研究，为组织工程骨软骨仿生构建提供了新材料和新策略。