胞元结构对多孔钛支架骨再生和骨整合影响的研究

发布时间：2020-09-08 20:27

　　 近年来,骨组织工程的发展强调了合适支架设计的重要性,以使骨组织更易于整合和结合。三维多孔支架可以有效降低支架刚度和弹性模量,避免应力屏蔽,并提供骨长入的孔隙空间,与骨组织形成骨融合,从而延长支架寿命。研究发现,小梁尺寸、孔径和孔隙率等关键孔参数将对多孔支架的力学性能和生物性能产生影响。因此,探索不同胞元结构支架的力学和生物学性能对于骨组织工程支架的优化至关重要。传统的制造工艺,如粉末烧结、等离子喷涂和泡沫制造等,无法精确控制支架的外形及孔参数。幸运的是,随着增材制造(AM)技术的发展,激光选择性熔融(SLM)作为其中使用最广泛的技术,可以制造出与计算机辅助设计(CAD)模型相一致的多孔支架,满足了对其孔参数的高度可控性。本研究利用CAD和SLM技术设计并制备出四种具有不同胞元结构的多孔钛合金支架,通过三维有限元分析及压缩实验证实了其生物力学适配性,并在体外和体外评估了不同胞元结构的多孔钛支架对骨再生和骨整合的影响。第一部分:采用CAD和SLM技术,设计并制备了四种具有不同胞元结构的多孔钛(Ti,Titanium)支架:Ti-r(钻石型胞元,规则分布),Ti-ir(钻石型胞元,随机分布),Ti-g(钻石型胞元,梯度分布(内层孔隙率为60%,外层孔隙率为80%,平均孔隙率为70%)),Ti-tr(正十二面体胞元,桁架结构(规则排列))。通过Micro-CT扫描重建三维立体结构后,用Mimics软件分析得出四组多孔钛支架的孔参数与我们的设计基本吻合。继而我们通过有限元分析和压缩实验检测四组不同胞元结构的多孔钛支架的机械性能。有限元分析结果显示,在100N垂直载荷下,Ti-r组和Ti-ir组产生的等效应力峰值及等效位移较低。在该两组中,Ti-r组内部应力分布均匀,而Ti-tr组有应力集中区域,应力集中主要分布在小梁交汇处。而Ti-ir和Ti-g组产生等效应力和等效位移较大,且出现较多应力集中区域。压缩实验结果与有限元分析结果一致,Ti-r组和Ti-ir组的抗压强度明显好于剩余两多孔组(Ti-ir和Ti-g),但四组多孔钛支架弹性模量均处于4-6GPa,与骨组织的机械性能相匹配。第二部分:我们将人骨髓间充质干细胞(hBMMSCs,humanbone marrow derived mesenchymal stem cells)在四组多孔钛支架上接种并培养:扫描电镜(SEM)观察显示,多孔支架结构完整,hBMMSCs在4种支架上生长良好,细胞活性高。在1,3,7h时,细胞与4组多孔钛支架的粘附没有明显差异;在1,3,5,7d时,4组支架上的hBMMSCs均随时间延长而数量增多,但组间没有明显差异;结果表明,四组多孔钛支架的不同胞元结构对hBMMSCs的粘附、增殖和活力方面影响无明显差异。另外,我们对四组的支架上的hBMMSCs进行成骨诱导,尽管在7天时,Ti-g组具有较高的碱性磷酸酶(ALP)活性,但在21天时,茜素红染色及半定量分析显示4组支架矿化能力相当。RT-PCR结果显示在4组多孔钛支架上的hBMMSCs表达成骨相关基因Runt相关转录因子-2(Runx-2),骨钙素(OCN)和锌指转录因子(Osterix)的水平差异不明显。以上结果提示:在体外,4组多孔钛都具有良好的生物相容性并对hBMMSCs的细胞行为影响并不显著,有着相当的成骨能力。第三部分:我们选用12周龄的新西兰大白兔成功的建立兔股骨缺损模型,并将他们分成5组并通过支架(4组多孔钛支架+对照组致密型圆柱体)植入修复,在术后2W,4W,8W时进行序列荧光标记并取材。通过硬组织切片染色,统计骨组织长入深度、面积和骨组织与支架表面的接触率,结果表明4种支架在2周时均有新骨在孔隙中形成,并且随着时间的延长,骨长入深度、面积以及骨组织与支架表面的接触率均增大。在骨长入面积上,在Ti-r及Ti-ir组中,骨长入面积较另2组多,显示出较其他两组更好的成骨能力。而支架表面与骨组织接触率显示4组多孔钛支架均可以在8W时形成良好的骨整合。通过序列荧光标记,观察多孔支架孔隙内骨的动态生成过程,结果显示在四组支架中大部分新骨由宿主骨壁向孔隙内生长,主要成骨模式为距离成骨。推出实验结果显示,在每个时间点,所有多孔组的推出力均明显高于致密型植入物,但多孔组组间无显著性差异。这些结果表明,四种不同胞元结构的多孔钛支架孔在修复小型骨缺损时均能提供了良好的骨再生,骨整合能力及早期稳定性,但Ti-r组和Ti-ir组表现较剩余两个多孔结构更好。综上所述,本研究中所设计并制备的四种不同胞元结构的多孔钛支架均与骨组织的机械性能相匹配,但Ti-r组抗压能力最强,且支架内部应力分布均匀,具有更好的力学性能;在体外,四组多孔钛支架均具有良好的生物相容性和成骨能力;在体内,四组多孔钛均具有早期稳定性,但Ti-r和Ti-ir组骨再生和骨整合能力更强;综上,结合力学性能和生物学性能,我们认为Ti-r组这种结构更有利于骨再生和骨整合。
【学位单位】：重庆医科大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R318.08;R68
【部分图文】：

16图 1.1 多孔支架的 CAD 模型Figure1.1 CAD models of porous scaffold.孔支架 CAD 模型（带帽和不带帽）；b.片状多孔支架 CAD 模型；c.钻石正十二面体胞元。 model of cylindrical porous scaffold with or without a cup; b. CAD modplate scaffold; C. Diamond cell unit; D. dodecahedron cell unit.

17图 1.2.不同胞元结构的多孔支架 CAD 模型（a.片状；b.圆柱状）1.2. CAD models of porous scaffolds with various macropore.（a.plates；b.cy

究生学位论文孔隙连通率 =与支架表面联通的孔隙总体支架孔隙总体积元分析（FEA）的多孔支架（圆柱形）导入 3-matic 建立四种多有限元网格（图 1.3），保存为.cbd 格式，接着导入 元模型，有限元模型划分结果的单元数及节点数见（弹性模量 110GPa，泊松比 0.3）[33]，将支架架长轴相平行大小为 100N 的载荷，对多孔钛支架

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本文编号：2814606