关节韧带-骨梯度支架仿生设计与复合制造方法研究

关节韧带修复长期疗效不佳是当今国际医学界急需解决的难题，其问题在于现有关节韧带移植体通过医用螺钉等方式与自体骨"机械固定"，无法形成牢固的组织愈合界面，长期易从自体骨内拉出。本项目提出采用韧带-梯度界面-骨一体化复合支架进行关节韧带修复的新思路，通过梯度界面-骨支架部分与自体骨的组织融合，实现韧带与自体骨间永久的"生理固定"。项目重点研究自然韧带-骨梯度界面微观组织数字化建模与复合支架的仿生设计；探索光固化成形与静电纺丝技术结合的、适应多材料属性、多结构尺度、多工艺集成的复合支架一体化制造方法，以实现材料从硬质向软质呈梯度变化、结构从定向纳米纤维向微阵列多孔及管道化过渡的复合支架成形；构建具有培养液灌流与施加拉压应力双重功能的生物反应器系统，为建立关节韧带-梯度界面-骨组织体外培育与体内韧带功能修复的衔接机制奠定基础。研究结果将有助于探索面向多种不同组织界面复合修复的生物制造理论与方法。

关节韧带修复的主要挑战在于软质韧带移植体通过医用螺钉与硬质骨 “机械固定”，无法形成牢固的组织愈合界面，长期易从自体骨内拉出。针对该问题，本项目提出模拟自然韧带-骨连接界面结构，设计与制造具有材料与结构梯度的韧带-骨复合支架，通过骨支架与自体骨融合固定、梯度结构促进多组织界面再生实现软质韧带移植体与硬质骨组织的永久“生理固定”。主要研究进展如下：. 研究了韧带-骨复合支架的仿生设计方法。研究了自然韧带-骨梯度连接界面微结构及其力学强度，为韧带-骨支架的仿生设计提供生物学基础；设计了具有初期自固定功能、包含韧带-仿生界面-骨多相支架结构；通过有限元分析优化了韧带-骨支架的连接方式及初期固定结构参数。. 建立了两种韧带-骨多材料、多结构复合支架的制造方法。结合纤维编织技术与陶瓷光固化成型技术制备了蚕丝-PEEK-陶瓷复合支架;在此基础上，提出了一种具有初期自固定结构、包含人工韧带、仿生界面及陶瓷骨复合支架的分区制备方法与工艺；探索了一种韧带-骨微纳纤维支架的静电纺丝制造方法，所制备的复合支架具有连续变化的材料与结构梯度，有利于多组织的再生。. 开发了具有培养液灌流及施加拉应力双重功能的动态生物反应器系统，进行了体外细胞培养；开展了动物实验，在韧带-骨连接处再生了与自然组织相似的梯度过渡界面，初步实现了韧带支架与自体骨的 “生理固定”。. 本项目共申请中国发明专利7项，其中已授权专利4项；在国内外知名学术期刊如Acta Biomaterialia (IF=5.6) , Advanced Healthcare Materials (IF=4.88), Biofabrication (IF=4.3), Applied Physics Letters (IF=3.5)等发表论文12篇，其中SCI论文9篇、EI论文2篇；参加国际会议并做口头报告2次，其中特邀报告1次、担任分会主席1次。该研究为从根本上解决软质人工韧带与硬质骨组织的固定难题提供了新思路和新方法，计划与瑞士苏黎世联邦理工大学合作将研究成果在瑞士推向临床应用。