《大尺寸仿生骨/軟骨關節支架的增材製造與功能評估》是依託西安交通大學，由靳忠民擔任項目負責人的專項基金項目。
基本介紹
- 中文名：大尺寸仿生骨/軟骨關節支架的增材製造與功能評估
- 項目類別：專項基金項目
- 項目負責人：靳忠民
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
關節損傷是危害人體運動功能的多發疾病，臨床醫學對大面積骨/軟骨缺損的再生修復有迫切需求。定製化大尺寸骨/軟骨支架設計製造成為關節組織工程發展面臨的重大挑戰。本項目以大尺寸骨/軟骨缺損為研究對象，針對大尺寸支架在體內的力學和生物學環境需求，提出了骨和軟骨組織同步製造和體外評估方法。項目圍繞多材料與宏微觀骨/軟骨支架設計製造和功能評價方法開展研究工作。主要研究內容包括：大尺寸骨/軟骨支架的仿生結構設計方法；多材料和多尺度結構支架精確光固化增材製造原理與設備；建立具有生物培養功能的摩擦磨損體外功能評估系統；通過動物實驗驗證設計製造的有效性。項目通過研究多材料與宏微尺度結構製造方法，為發展具有良好力學和生物學功能的人工活性組織關節提供科學基礎與工程實現方法。
結題摘要
關節損傷是危害人體運動功能的多發疾病，尤其是隨著人們壽命的增加和生活節奏的加快。臨床醫學對大面積骨/軟骨缺損的再生修復有迫切需求。目前人工關節置換雖然具有短中期療效，組織工程方法也只限於小尺寸支架製造和小尺寸缺損修復的有效性，因此，定製化大尺寸骨/軟骨支架設計製造及臨床使用仍面臨重大挑戰。本項目研究了大尺寸多材料與宏微觀骨/軟骨支架在體內的生物力學和生物學環境，骨和軟骨組織設計及同步製造方法和體內、體外功能評價體系。建立了大尺寸骨/軟骨支架的仿生結構設計，開發了基於人體下肢的多尺度多物理多體動力學計算機模擬方法並對支架進行了最佳化設計。首次成功地在世界上將關節的生物力學模型，關節的有限元模型和關節表面的摩擦學模型相融合，建立了人體膝關節的設計、手術和患者於其相應的生物力學的定量關係，並進一步揭示了關節的力、運動等生物力學參數和關節表面的摩擦、磨損等生物摩擦學參數的耦合機理；揭示了多材料和多尺度結構支架的光固化增材製造的精確成形原理，搭建了1套實驗加工平台，形成了變參數的自動化控制方法和工藝最佳化方法，製備出φ10-30mm的大尺寸多材料骨軟骨關節支架；完成了耦合生物培養功能的活性關節體外功能評價系統的設計、構建、測試評估以及套用、實現了大尺寸活性關節的體外無菌功能評價，並且通過體外培養實驗和大動物羊/狗18個月的體內實驗，揭示了包括力學環境和生物學環境耦合的多物理場因素對骨/軟骨組織性能及功能的調節機理，驗證了新型大尺寸複合支架植入山羊膝關節缺損處後具有良好的固定及組織相容性，發現仿生設計和固定裝置的支架為植入初期提供了良好的力學支持，後期可誘導周圍細胞的遷徙與增殖，術後骨軟骨缺損被新生軟骨樣組織填充，手術膝關節功能長期良好。驗證了大塊骨軟骨關節體的設計和製造的有效性。項目通過研究多材料與宏微尺度結構製造方法，為發展具有良好力學和生物學功能的人工活性組織關節提供了科學基礎與工程實現方法。
