【摘 要】
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一、研究背景椎间盘退行性疾病是导致腰痛的重要原因,发病群体有年轻化趋势。对于症状严重、保守治疗无效的患者需采取椎间盘切除术,但对于切除造成的缺损尚无理想的处理办法。采用组织工程学技术对缺损进行修复是研究的热点,但目前缺乏理想的支架设计。二、研究目的采用先进的三周期极小曲面（Triply periodic minimal surfaces,TPMS）理念设计椎间盘多孔支架,观察力学性能、仿真性能和生
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一、研究背景椎间盘退行性疾病是导致腰痛的重要原因,发病群体有年轻化趋势。对于症状严重、保守治疗无效的患者需采取椎间盘切除术,但对于切除造成的缺损尚无理想的处理办法。采用组织工程学技术对缺损进行修复是研究的热点,但目前缺乏理想的支架设计。二、研究目的采用先进的三周期极小曲面（Triply periodic minimal surfaces,TPMS）理念设计椎间盘多孔支架,观察力学性能、仿真性能和生物学性能,以探索适用于椎间盘缺损修复的支架。三、研究方法首先采用TPMS理念设计3种不同参数的支架并分别在Z轴方向上进行变形。采用3D打印技术,以聚碳酸酯聚氨酯（Polycarbonate urethane,PCU）为材料制作标准尺寸的模型进行压缩性能测试,绘制应力-应变曲线,评估不同模型应力下的弹性模量、能量耗散、形变恢复和抗疲劳性能。采集影像学数据用于腰椎三维建模,使用有限元技术模拟前屈、后伸、侧屈三种运动状态,比较天然状态下和装载各型号支架后各接触面的应力峰值和应力集中区域面积占比,评估支架应力下的仿真性能。采用TPMS理念制作三维培养支架,种植人椎间盘髓核细胞进行应力培养,于不同力学刺激时间点检测细胞基质相关基因COL1A1、MMP-1、MMP-3、MMP-13、炎症相关基因IL-1β、IL-6、IL-8 TNF-α相对表达量的变化,并深入探究与能量代谢密切相关的SIRT3在退变中的作用,从而探索TPMS多孔支架应力环境下的生物学性能。四、结果力学测试显示,P2模型能量耗散率最低,形变恢复率最高,材料抗疲劳性能最好。P1模型能量耗散率最高,形变恢复率最低,材料抗疲劳性能最差。有限元分析显示,前屈状态下P3模型各接触面应力峰值最低,DP2最高,后伸状态下多数接触面上DP2应力峰值最高。侧屈状态下各接触面上的应力峰值均为P3最低。应力培养结果显示,不同力学刺激时间下COL1A1总体水平稳定,MMP-1和MMP-3前期短暂下降,后基本恢复,MMP-13表达水平在24h有显著升高。炎症指标IL-1β和IL-8在前期升高,中后期下降,IL-6前期基本保持稳定,中后期显著升高,而TNF-α前期下降明显,后期显著升高。SIRT3表达水平前期下降,后期升高,相应蛋白水平也体现出相似趋势。SIRT3过表达促进COL1A1、MMP-3、MMP-13和IL-8表达,抑制IL-1β和TNF-α表达。五、结论TPMS理念可被成功应用于多孔椎间盘支架设计,P2模型力学性能最好,P3模型仿真性能最好。将TPMS设计用于应力培养,MMP-13、IL-6、TNF-α、SIRT3呈现明显变化趋势,可作为评估退变指标,SIRT3可能通过促进COL1A1,抑制IL-1β、TNF-α延缓退变,具体机制尚需进一步研究。
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