缺損顱骨組織工程支架設計方法及其生物力學研究

《缺損顱骨組織工程支架設計方法及其生物力學研究》是依託天津大學，由鄭淑賢擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：缺損顱骨組織工程支架設計方法及其生物力學研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄭淑賢
• 依託單位：天津大學

項目摘要

為建立理想的顱骨支架結構以及解決多孔結構與力學強度的矛盾問題，本課題通過模擬自然顱骨組織，對缺損顱骨組織工程支架進行外形與內部結構最佳化設計，構建有利於人工顱骨向自然顱骨轉化的支架結構，利用快速成型技術製造支架負型，並填充生物材料形成三維活性多孔支架，對支架的生物力學性能進行檢測與分析後，通過細胞體外培養試驗評價支架結構的可行性，為解決顱骨組織工程支架的臨床修復問題提供新途徑。

結題摘要

骨組織工程技術在缺損顱骨修復中發揮著重要的作用，但對顱骨組織工程支架的研究並不成熟。為獲得理想的顱骨支架結構並解決材料多孔性與力學強度的矛盾問題，本課題對顱骨支架的結構設計、材料製備工藝、生物力學、生物學以及細胞整合等內容進行了系統的研究，取得了如下成果。首先，提出一種三角格線孔洞修補算法對缺損部位進行重構，完成了支架外形的設，然後基於天然顱骨顯微CT圖像的統計分析數據，提出了由“腔體”、“連通管”按照一定的“空間架構網”連結而成的顱骨支架參數化數學模型，並研究了相應的CAD算法對以上組件進行結構設計、裝配，以及協同變形，實現了支架內部多孔結構的仿生設計。仿生支架微孔與天然顱骨的骨小梁結構高度相似，孔隙率可控、尺度達到500μm，滿足細胞爬行與生長的要求。其次，為明確孔隙率與力學強度的關係，基於上述支架參數化模型設計了5種不同孔隙率（23%、28%、32%、36%、41%）仿生支架，套用有限元法對它們進行了詳細的應力分析，確定了孔隙率為36%的支架具有最佳的應力分布和力的傳導，研究結果可為仿生支架設計以及工藝製備提供理論指導。再次，針對仿生支架結構及其微米級尺度的特點，運用高精度快速成型技術製造支架的“負模”後，研究了詳細的凝膠注模成型工藝路線，成功製備了多孔β-TCP生物陶瓷支架實物。為提高生物陶瓷支架的力學強度，提出在β-TCP加入了高溫玻璃粘接劑（BG），同時進一步研究β-TCP/BG凝膠注模成型工藝材料成份的最佳配比，使材料顆粒間緻密化程度提高。β-TCP/BG支架的抗壓力學實驗結果表明，最佳化成型工藝成份後支架的實際生物力學強度得到大幅度地提高。最後，採用一系列的檢測方法對β-TCP/BG支架的孔隙率、微觀形貌、成份含量、物相組成等生物學性能進行了檢測，並通過細胞體外培養驗證了細胞-支架材料的相容性和細胞-支架複合生長的能力。結果表明，細胞在支架可在表面及孔隙內的粘附，支架與細胞的相容性較好，內部蜿蜒曲折微孔結構走勢，有利於細胞的粘附和生長。從而證明了課題提出的仿生設計與製備方法是可行的。上述內容的科學意義在於實現了與天然骨小梁形態和尺度高度相似的支架設計與工藝製備，其力學強度和生物學性能滿足細胞生長和整合的要求，為顱骨組織工程支架的臨床套用提供新途徑。