3D打印钛合金顺磁性支架对于股骨头坏死修复的机制和疗效的探索

Osteonecrosis of the femoral head(ONFH) is a pathologic condition with high prevalence that commonly affects young patients and incurs socioeconomic burdens. The current joint salvaging approach lacks reliability in inducing effective bone reconstitution. Our preliminary research suggested a role in promoting neovascularization and bone repair of the 3D-printed paramagnetic titanium alloy scaffolds. In this study, we searched for the optimal conditions that accommodate bone regeneration, and looked into the mechanism by observing neovascularization and common associated proteins. Then by adopting a model of femoral head necrosis, we verified its mechanical support and ability in inducing bone repair. Combining our team’s experience in micro-RNA research for femoral head necrosis with proteomics screening, we explored the underlying mechanism of inducing bone regeneration based on commonly established proteins and genes in bone repairing. This study seeks to shed insight on the mechanism of magnetic-nanoparticle-induced bone regeneration in magnetic field environment and thus illuminating ways of revascularizing femoral head, as well as providing a new and reliable choice of scaffold material for joint salvaging bone reconstitution treatment of ONFH.

股骨头坏死（osteonecrosis of femoral head，ONFH）发病率高，且多累及青壮年男性，给患者生活质量及社会经济带来严重影响，目前保头治疗方法均不能确切获得可靠的坏死区骨重建的效果。我们前期研发的3D打印钛合金顺磁性支架能够明显诱导血管新生和骨缺损的再生，在此基础上，通过对不同条件的探索，寻找最优诱导成骨条件，并通过观察血管再生情况和常见的骨再生相关蛋白，初步探索其诱导骨再生的机制。并进一步对股骨头坏死模型进行骨修复，验证其机械支撑和诱导骨修复的能力；并探索其诱导骨修复的机制，通过结合本课题组既往对股骨头坏死micro-RNA研究的经验、蛋白质组学的筛选的结果和常见的促进骨修复的蛋白及基因，进一步阐明顺磁性纳米粒子在磁场环境中诱导骨修复的机制，为股骨头血运重建提供新的思路，为股骨头坏死骨重建提供可靠的支架材料。

股骨头坏死发病率高，且多累及青壮年，给患者生活质量及社会经济带来严重影响，在塌陷前予以保髋治疗是股骨头坏死的理想治疗方法，但目前各种干预措施都有缺陷，迫切需要一种途径延缓甚至避免髋关节置换手术。因此本课题设计了一种3D打印钛骨骼支架，在保证力学强度的前提下，尽可能大的孔隙率模拟骨的多孔结构。此外，均匀联通的孔隙结构有利于骨细胞的粘附增殖以及微血管的生长，为新骨生成提供充足的空间结构，并且较低的弹性模量实现与正常骨组织的匹配从而降低应力遮挡效应。在钛骨骼支架的基础上，冷冻干燥技术将骨基质有机成分及无机成分最主要的构成物质明胶及羟基磷灰石作为主要材料，在多孔结构中建立具有仿生结构的三维微支架，进一步的将磁性粒子及磁场引入该体系，给成骨相关细胞的增殖、分化以及最终的骨质沉积提供一个良好的微环境。最终通过体外细胞实验，我们证实当三种材料比例为1:1:1，以及磁场强度为2mT时，对细胞的增殖及分化能力最强；并且复合支架+磁场组相较于其他对照组结果最优。此外，在股骨头坏死模型中，该复合支架也表现出了对股骨头坏死最强的修复作用。最后通过基因芯片及蛋白组学技术筛选出经磁性粒子诱导后表达差异的蛋白及基因，进一步阐明顺磁性纳米粒子诱导成骨的相关机制。本课题研究的具有生物活性的多孔钛合金骨科内植物，为3D打印时代骨科内植物进入生命化阶段奠定理论和技术基础，在股骨头坏死及骨缺损领域同样具有诱人的应用前景。