表面基因薄层组装的复合材料螺钉及其对重建韧带生理愈合调控作用的研究

可吸收螺钉是重建韧带固定的主要手段，但由于螺钉骨诱导活性低，导致螺钉吸收和韧带-骨愈合的速度不匹配，而且重建韧带-骨界面缺乏生理韧带与骨之间的过渡缓冲层，因而影响重建韧带的远期稳定性。如何构建具有促进韧带-骨界面快速生理愈合的新型螺钉，是目前亟待解决的问题。本项目提出以左旋聚乳酸/20纳米羟基磷灰石复合材料为基础，通过运用静电层层自组装技术在其表面制备软骨寡聚基质蛋白/整合素α5β1跨膜功能基因薄层，构建新型螺钉；研究新型螺钉成分、基因含量等参数对骨诱导活性等性能的影响；分析功能基因对成纤维细胞黏附、增殖及软骨分化等行为的影响，探索跨膜系统在钙化纤维软骨过渡结构形成中的作用机制；为进一步阐明其生物效应，采用动物模型来分析检测跨膜系统对韧带-骨界面愈合的调控机制。本项目提出将基因治疗与生物材料相结合的新设计，为韧带内固定螺钉的设计奠定理论基础，并为防治重建韧带松动提供新的治疗思路。

项目背景：可吸收螺钉是ACL重建后固定韧带的主要手段，但由于螺钉骨诱导活性低，导致螺钉吸收和韧带-骨愈合的速度不匹配，而且重建韧带-骨界面缺乏生理韧带与骨之间的过渡缓冲层，因而影响重建韧带的远期稳定性。如何构建具有促进韧带-骨界面快速生理愈合的新型螺钉，是目前亟待解决的问题。.研究内容：我们通过3D打印技术制备PLLA/HA多孔材料界面螺钉，并将获取的骨髓间充质干细胞(BMSCs)种植于多孔材料中，体外观察PLLA/HA多孔材料界面螺钉对BMSCs增值分化之影响；体内部分，我们建立了以半腱肌肌腱为移植物的兔ACL重建模型，将界面螺钉应用于模型中。术后不同时间点取材，分别用组织学、micro-CT及生物力学观察材料应用于ACL重建模型后的生物学效果。.重要结果和关键数据：3D打印机，打印出PLA螺钉支架孔隙率为42±5%；通过SEM对PLA/HA螺钉支架表面进行观察，HA在PLA支架各支柱上均匀分布；将BMSCs与材料共培养48小时后，PLA/HA+Pluronic F-127组相较于另外两组表面的细胞呈多边形充分铺展于支架表面，同时出现较多的伪足；在培养后4天和7天，PLA/HA+Pluronic F-127组相较于另外两组OD值有显著性增高；RT-PCR检测显示，相较于另外两组，PLA/HA+Pluronic F-127组COL1, OCN，Sp7和Runx2四个基因都有显著上升。体内试验：通过Micro-CT扫描并对股骨隧道内新生骨进行定量检测。在图8中，PLA/HA+MSCs组相对于另外两组在术后4周和12周股骨隧道中均形成较多的新生骨，尤其在术后12周，PLA/HA+MSCs组骨隧道内新生骨相互链接形成了如支架样的网状；通过硬组织切片可见，在术后4周，相较于PLA/HA组，PLA/HA+MSCs组的韧带骨界面含有较多的软骨细胞和软骨基质，而PLA组的韧带骨界面充满了较多的纤维组织而缺乏新生骨，术后12周，三组韧带与骨髓道支架的距离均变窄，相对于PLA组和PLA/HA组，PLA/HA+MSCs组韧带与新生骨紧密接触，表现为新增的连续的胶原纤维出现在肌腱移植物和骨之间。.本实验为今后医生在医院中运用3D打印机自主制造手术内植物提供了全新的理念和理论支持。