【摘要】：使用生物材料修復(fù)受損組織的歷史要追溯到史前，距今已經(jīng)30,000年了。2000年前智慧的中國和羅馬人民已經(jīng)會(huì)使用金子修復(fù)受損的牙齒。隨著當(dāng)今社會(huì)創(chuàng)傷，腫瘤，畸形，退化和老齡化的急劇增加，外科重建手術(shù)材料的需求亦是與日俱增。根據(jù)國際骨質(zhì)疏松基金會(huì)（International Osteoporosis Foundation, IOF）發(fā)布的2009年亞洲審計(jì)報(bào)告，中國大陸超過50歲的人群中有694萬人患有骨質(zhì)疏松，每年由骨質(zhì)疏松導(dǎo)致的髖部骨折約687,000例，脊柱骨折18萬例。在過去四十年，中國香港髖部骨折增長了300%，新加坡增長了500%。日本的骨質(zhì)疏松人群大約120萬，髖部骨折發(fā)生率在老年人群（大于75歲）中顯著增加。全球權(quán)威調(diào)研機(jī)構(gòu)Technavio分析師預(yù)測(cè)2012年到2016年之間矯形合同制造市場(chǎng)的復(fù)合年增長率（Compound Annual Growth Rate, CAGR）將增長11.05%。 新材料在線網(wǎng)站‖（http://www.xincailiao.com/）提供的數(shù)據(jù)顯示目前全球生物材料以骨科和心血管兩類應(yīng)用產(chǎn)品的需求量最大，分別占全球生物材料市場(chǎng)的37.5%和36.1%；其次以傷口護(hù)理和整形外科為主，約占全球生物材料市場(chǎng)的9.6%和8.4%；到2015年全球骨科市場(chǎng)規(guī)模達(dá)472億美元，中國達(dá)到166億人民幣，成為全球第二大骨科市場(chǎng)。 矯形重建術(shù)的增多直接刺激了骨替代材料的發(fā)展。多孔支架材料在骨重建領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，究其原因就是為骨組織的長入提供了足夠的空間和時(shí)間。然而目前的支架材料仍然存在一些缺陷，a.目前市售的很多骨替代多孔支架材料很多是 多孔閉塞支架‖，使用這樣的支架修復(fù)骨缺損時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)這種情況：新鮮營養(yǎng)物質(zhì)到達(dá)支架內(nèi)部之前原來的營養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)消耗殆盡，而且產(chǎn)生了大量的新陳代謝廢物。這種情況使得剛剛長入到內(nèi)部的細(xì)胞死亡，實(shí)驗(yàn)中常常發(fā)現(xiàn)細(xì)胞僅僅集中在支架材料的周圍；b.目前預(yù)成型的支架材料在使用過程中也遇到了一些問題：初始機(jī)械強(qiáng)度不高，手術(shù)操作性差，與不規(guī)則骨缺損不匹配等。本研究針對(duì)目前材料存在的缺陷對(duì)材料進(jìn)行改進(jìn)。 第一部分：帶有微通道的生物多孔支架修復(fù)兔橈骨骨缺損。為了解決以往3D組織工程支架存在的物質(zhì)交換障礙的問題，本部分采用相轉(zhuǎn)化方法制備了一種新型的帶有微通道的可降解生物多孔支架材料。將一定量的PLGA（MW=7.5萬或14.7萬）溶于NMP中，然后加入一定量的HA后使用乳化機(jī)充分分散均勻。選擇直徑為200-450μm的鹽粒子作為致孔劑加入到上述混合物，將復(fù)合材料加入到自制的模具后放入一次水中浸泡3天即可得到多孔材料（PS支架）。通過掃描電鏡觀察到孔隙表面和斷層表面觀察到相互連通的微通道（直徑1μm左右），這些微通道非常有利于孔隙內(nèi)外離子，小分子物質(zhì)和大分子物質(zhì)的交換。通過壓縮試驗(yàn)我們可以得到壓縮強(qiáng)度在1MPa-4MPa范圍內(nèi)的支架材料，可以根據(jù)使用部位進(jìn)行選擇。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)我們選擇強(qiáng)度較大的支架材料進(jìn)行。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中通過與模壓成型方法制備的材料（MM支架）進(jìn)行比較觀察材料的細(xì)胞增殖能力和誘導(dǎo)成骨能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞培養(yǎng)5d和10d后細(xì)胞增殖量明顯高于MM支架，這說明由于PS支架良好的通透性，支架內(nèi)部的細(xì)胞獲得了必要的營養(yǎng)物質(zhì)，而MM支架由于物質(zhì)交換障礙而影響了細(xì)胞的增殖。培養(yǎng)10d時(shí)堿性磷酸酶含量明顯高于MM支架，14d和21d鈣沉積量明顯高于MM支架。原因可能是材料表面的HA暴露較多，起到了誘導(dǎo)成骨分化的作用。PS支架體內(nèi)骨修復(fù)能力也同樣優(yōu)于MM支架，通過X片可以觀察到PS支架內(nèi)部礦化骨質(zhì)，而MM支架僅集中在支架周圍。 第二部分：可注射聚丙交酯-乙交酯/納米羥基磷灰石/可降解明膠微球復(fù)合支架（PLGA/HA/MGs）修復(fù)小鼠顱骨缺損。為了解決以往預(yù)成型支架擬合度欠佳，操作性差，以及可注射水凝膠機(jī)械強(qiáng)度差的問題。我們制備了可注射的PLGA/HA/MGs復(fù)合支架，其中未交聯(lián)明膠微球（MGs）作為體內(nèi)致孔劑和擔(dān)載rhBMP-2。方法是將一定量的PLGA溶于NMP中，然后加入HA，制得的混合物用乳化器乳化3分鐘。然后在混合物中加入未交聯(lián)的明膠微球（MGs）或載rhBMP-2的MGs作為致孔劑。選擇2mL的注射器（出口直徑約2.7mm，相當(dāng)于16號(hào)穿刺針的直徑）將材料分裝到注射器管內(nèi)。最終得到的是可注射的骨修復(fù)替代材料。通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料中PLGA分子量，濃度，HA含量以及MGs的量得到滿意的可注射材料，既能夠順利注射，又能夠得到較高的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)我們對(duì)材料的細(xì)胞毒性進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)材料在0-2h細(xì)胞毒性明顯，2h后無細(xì)胞毒性。同時(shí)將材料和載rhBMP-2的材料用于小鼠顱骨修復(fù)，發(fā)現(xiàn)兩組骨修復(fù)效果優(yōu)于空白組，其中載rhBMP-2組最佳。同時(shí)我們通過小鼠的心，肝，脾，肺，腎組織切片觀察發(fā)現(xiàn)材料未造成小鼠體內(nèi)臟器損傷。 第三部分：可注射4D支架修復(fù)兔橈骨骨缺損。預(yù)成型支架材料在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床使用中存在諸多缺陷，例如機(jī)械性能較差，手術(shù)操作性差，與不規(guī)則骨缺損擬合度差等�？勺⑸渌z因其可原位塑性，并可微創(chuàng)操作，與缺損擬合度好而應(yīng)用增加。但是水凝膠不具有足夠的機(jī)械性能用于負(fù)重區(qū)域，甚至在非負(fù)重區(qū)域材料的機(jī)械強(qiáng)度也不能夠維持空隙的空間結(jié)構(gòu)。4D支架是在3D空間支架的基礎(chǔ)上加上時(shí)間的概念。今天，4D概念經(jīng)常出現(xiàn)在之前的文章中。例如，4D CT現(xiàn)已經(jīng)用于臨床診斷和導(dǎo)航；下肢4D數(shù)字模型用于研究全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)并發(fā)癥；4D打印用于制備形狀記憶型器件。這些技術(shù)激發(fā)我們?cè)O(shè)計(jì)一種支架材料，這種支架材料在早期是一種無空隙設(shè)計(jì)，可提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度；隨著時(shí)間材料空隙從外而內(nèi)逐漸形成，周圍骨組織逐漸長入。本研究中，我們將明膠微球加入到PLGA，HA和NMP的混合物中制備4D支架。這種支架材料可以實(shí)現(xiàn)原位成形，并可出現(xiàn)時(shí)間依賴性孔形成。原因是明膠材料可被明膠酶如組織金屬蛋白酶-2/9(MMP-2/9)降解，而MMP-2/9可在正常生理和病理狀態(tài)下的骨組織中檢測(cè)到。通過其修復(fù)骨缺損的結(jié)果可見，材料移植入骨缺損處后觀察期間未見斷裂，支架早期出現(xiàn)礦化，后期骨組織逐漸長入，最后完成骨缺損部位的修復(fù)。而載有rhBMP-2的支架骨修復(fù)能力更佳。 通過上述研究我們?cè)谝韵路矫娓纳屏四壳爸Ъ懿牧洗嬖诘膯栴}：1.設(shè)計(jì)和制備了帶有“微通道”的3D骨替代材料，增強(qiáng)支架內(nèi)外的“交流”，在體內(nèi)促進(jìn)了骨組織的修復(fù)；2.設(shè)計(jì)和制備了可注射的3D骨修復(fù)材料，實(shí)現(xiàn)材料與宿主不規(guī)則骨缺損的形態(tài)匹配，，并且材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；3.設(shè)計(jì)和制備了可注射4D骨修復(fù)支架材料，實(shí)現(xiàn)早期高強(qiáng)度，后期高孔隙率，與宿主骨缺損高擬合度等目的。
【圖文】：

圖 1.1 骨等級(jí)分層結(jié)構(gòu)Fig1.1 Hierarchical structural organization of bone（a）皮質(zhì)和松質(zhì)骨；（b）骨單位（哈弗氏系統(tǒng)）；（c）骨板；（d）膠原纖維；（e）骨礦物質(zhì)晶體膠原分子，非膠原蛋白。(a) cortical and cancellous bone; (b) osteons with Haversian systems;(c) lamella; (d)collagen fibassemblies of collagen fibrils;(e)bone mineral crystals, collagen molecules, and non-collagenous proteins骨皮質(zhì)是一種分層結(jié)構(gòu)。它有微米級(jí)的骨單位，納米級(jí)的膠原纖維和低于納米的原分子組成。圖 1.2（a）是密質(zhì)骨的斷層圖，從中我們可以看到帶有血管的圓柱形骨位以哈弗氏管為中心走行[15]。哈弗系統(tǒng)順骨干長軸平行排列，哈弗管之間借伏克曼（Volkmann canal）相連接，后者并與骨皮質(zhì)內(nèi)外表面相通。新陳代謝物質(zhì)通過微管微腔隙和付克曼管與骨髓腔進(jìn)行交流。圖 2（b）所示[17]為松質(zhì)骨的多孔結(jié)構(gòu)，由相連接的骨小梁編織而成。松質(zhì)骨提供了一個(gè)開放的低密度，多孔隙的結(jié)構(gòu)，而皮質(zhì)骨一種高密度，幾乎封閉的孔結(jié)構(gòu)（圖 2c）[18]。骨小梁內(nèi)看不到哈弗氏管，因此松質(zhì)

圖 1.2 骨形態(tài)Fig.2. Bone morphologies（a）光學(xué)顯微鏡下觀察到的皮質(zhì)骨橫截面斷層微觀結(jié)構(gòu)；（b）掃描電鏡下顯示的松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)；（c）高倍顯微鏡下觀察的脫鈣松質(zhì)骨的組織結(jié)構(gòu)（H&E 染色圖片），其中 bm 指的是骨基質(zhì)，cc 是鈣化的軟骨，end 是骨內(nèi)的成骨細(xì)胞。(a) optical micrograph of transverse cross-section showing the microstructure of compact lamellabone human femora[17,19]; (b) SEM image of cancellous bone[20]; (c) high magnification histologicasection image of trabecula in human cancellous bone by decalcified preparation; bm  bone matrix; cc calcified cartilage; end  endosteal osteoblasts.骨內(nèi)含有的主要是 I 型膠原和少量的 V 型膠原。在微米級(jí)水平，膠原纖維是組成骨板的主要成分。膠原纖維的直徑在 100-2,000 nm 之間變化，由規(guī)整排列的原膠原蛋白組成。在空間結(jié)構(gòu)上，膠原蛋白顯示出特殊的三股螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)，三條相互獨(dú)立的膠原蛋白肽鏈依靠甘氨酸之間形成的氫鍵維系三股螺旋相互纏繞的結(jié)構(gòu)。膠原蛋白這種特殊的三股螺旋結(jié)構(gòu)保證了它的機(jī)械強(qiáng)度。這種三股螺旋就是原膠原。膠原纖維是膠原蛋白
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R318.08

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2548590