【摘 要】
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骨组织具有很强的自我再生能力,可以使受损部位完全恢复到其损伤前的组成、结构和功能。但是由于意外事故、骨肿瘤切除、炎症感染等问题,导致骨缺损部位达到一定范围后（＞2 cm）便无法自行愈合。目前大面积骨缺损主要通过自体骨（金标准）或异体骨进行骨移植手术治疗,但同时也存在不可忽视的问题:二次手术、交叉感染、免疫排斥、治疗效果不佳等。随着多学科的发展与交叉,人工合成骨移植替代物（骨修复支架）成为了理想材料
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骨组织具有很强的自我再生能力,可以使受损部位完全恢复到其损伤前的组成、结构和功能。但是由于意外事故、骨肿瘤切除、炎症感染等问题,导致骨缺损部位达到一定范围后（＞2 cm）便无法自行愈合。目前大面积骨缺损主要通过自体骨（金标准）或异体骨进行骨移植手术治疗,但同时也存在不可忽视的问题:二次手术、交叉感染、免疫排斥、治疗效果不佳等。随着多学科的发展与交叉,人工合成骨移植替代物（骨修复支架）成为了理想材料。但是,目前的骨修复治疗效果仍不太理想,原因在于骨修复支架缺少优异的成骨诱导性能。因此,本课题研究细胞所在的骨微环境,以骨自发重塑和骨折自愈合过程为指导,通过将机械刺激与生化刺激相结合的方法,提高骨修复支架的成骨诱导性能,促进骨缺损的修复效果。根据骨修复支架的基本结构要求和骨组织生理结构建立了不同结构的支架模型,使用双向流固耦合方法对支架模型的流体性能和力学性能进行模拟分析。在支架内表面负载细胞模型,模拟支架植入体内后的细胞黏附作用。计算细胞表面所受的流体剪切应力（Fluid shear stress,FSS）,预测支架内细胞的分化方向,获得满足成骨分化预期的支架结构。第一次结构设计时,发现球形-560支架具有最佳的成骨分化预期,但是现有3D打印技术无法实现结构复现。所以,结合骨小梁结构、第一次结构设计的结论和3D打印技术精度,对支架结构进行二次重新设计。第二次结构设计得到的400-900支架可以满足的成骨分化预期,并可以使用现有技术进行制备。将模拟仿真设计得到的支架结构,使用3D打印技术进行还原制备。由于聚乳酸（Polylactic acid,PLA）具有优异的生物相容性、无毒性和可降解性,将其作为支架材料。使用选择性激光烧结（Selective laser sintering,SLS）技术制备PLA骨修复支架。SLS制备的支架符合要求,基本还原了理论设计。压缩实验证明支架具有一定的抗压强度,可用于松质骨骨缺损的修复。生物活性实验显示出支架具有良好的生物活性,在支架表面可快速形成羟基磷灰石层（Hydroxyapatite,HA）,可以与植入周围的骨组织实现牢固的结合。PLA具有可降解性,当支架植入体内后,通过人体的内循环可以有效缓解酸性环境的产生。支架需要植入骨缺损区域才能发挥作用,主要用于原位骨的骨修复。为了进一步提高支架的成骨效果,在支架上负载具有优异成骨诱导能力的骨形态发生蛋白-2（Bone morphogenetic protein-2,BMP-2）。但是BMP-2在体内存活时间过短,使用聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly（lactic-co-glycolic acid）,PLGA）微球进行BMP-2的负载并实现长期持续释放。采用复乳法制备了BMP-2/PLGA微球,并将微球通过物理振荡方法填充于支架表面。扫描电镜（Scanning electron microscope,SEM）观察表明,微球主要集中在支架表面的凹陷处,不会对支架结构产生影响,而且微球的结构也未发生变化。为评估和验证BMP-2/PLGA微球复合支架的原位成骨性能,将400-900支架分为两组（有无负载微球）植入大鼠体内。通过肉眼观察植入体内4周的股骨,400-900支架和400-900-微球支架的顶部都与周围的皮质骨愈合在一起,表现出了良好成骨效果。进一步检测支架内部的成骨效果,使用Micro-CT检测骨缺损部位的新生骨。400-900-微球支架相对于400-900支架具有更高的骨体积分数（Ratio of bone volume to total volume,BV/TV）,而且新骨的分布更加均匀。8周时,400-900-微球支架具有最高的BV/TV（0.390）,而且新生骨基本填充满了支架的内部空间。体内实验表明,微球可以有效提高新生骨的质量和数量,并且有效缩短骨再生时间。本课题以骨自发重塑和骨折自愈为设计思路,通过将机械刺激与生化刺激相结合的方式提高骨修复支架的成骨诱导性能,制备了具有优异成骨效果的骨修复支架。课题研究内容与结果为通过结合多成骨刺激方式,为设计出具有优异成骨诱导性能的骨修复支架提供一定的有益探索。
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