【摘要】：研究目的骨科臨床工作中,骨骼的創(chuàng)傷、腫瘤、畸形、退變等疾病的發(fā)生、發(fā)展和治療過程中產生的骨缺損一直是外科醫(yī)生相對棘手的難題之一。骨缺損的治療離不開骨組織重建,而進行骨缺損的組織結構重建時,需要合適的填充材料來代替原來缺失的骨質。臨床中所使用的自體骨、同種異體骨或是其他填充材料都存在或多或少的缺陷。隨著骨組織工程和3D打印技術的相繼出現(xiàn),骨移植替代物的研制又邁出了新的方向。理想的骨移植替代物應當具備成骨性、骨誘導性、骨傳導性和骨整合性四種特性。聚己內酯(Polycaprolactone,PCL)和磷酸三鈣(Tricalcium phosphate,TCP)均為具有生物相容性和生物可降解性的材料,作為復合材料具有良好的傳導成骨、誘導成骨特性以及一定的機械強度,針對于這兩者的復合材料研究也是當前熱點之一。表面形貌的改變,直接影響依附于支架生長的細胞的增殖分化行為,表面粗糙的多孔支架對于細胞成骨分化具有促進作用。脫鈣骨基質(Demineralized bone matrix,DBM)作為一種同種異體骨移植替代物,除了含有93%的膠原外,還包含5%的絕大部分成骨誘導因子。通過涂層的方法將DBM依附于骨組織工程支架上,同時將DBM納米化以最小化其對原有支架形態(tài)的影響或許是一種可行的增強成骨效果的涂層修飾方法。本研究以3D打印技術作為制備方法,嘗試對PCL和TCP復合支架進行粗糙化改性,并涂層以納米化DBM,通過一系列物理性能表征、體外細胞學實驗和動物體內實驗對新型支架的骨缺損修復能力進行初步探索。研究方法首先通過3D打印技術中的熔融沉積成型技術制備PCL-TCP復合支架,并通過有機溶劑蝕刻的方法完成支架纖維的粗糙化改性,制備表面多孔PCL-TCP復合支架,對其微觀形貌、孔隙率、力學特性等進行檢測;在此基礎上,通過真空凍干法將納米化的DBM負載于表面多孔PCL-TCP復合支架的纖維表面完成涂層修飾。隨后,將人骨髓間充質干細胞(BMSC)接種于表面多孔PCL-TCP復合支架及其負載納米DBM涂層修飾的支架,并以未經任何修飾的PCL-TCP復合支架作為對照,通過CCK-8、ALP活性、鈣離子定量、實時熒光定量PCR、Western Blot等檢測手段,評價BMSC在不同復合支架上的粘附、增殖和成骨分化效果。最后,構建新西蘭兔橈骨中段臨界骨缺損模型,將表面多孔nanoDBM-PCL-TCP復合支架和表面多孔PCL-TCP復合支架作為填充材料,同時使用磷酸鈣人工骨作為對照,通過術后不同時間點的影像學和組織學檢測,對新型支架的體內骨缺損修復能力進行初步研究。研究結果通過熔融沉積成型技術構建的PCL-TCP復合支架存在預先設置的多孔結構,孔隙之間相互聯(lián)通;經過有機溶液蝕刻形成表面多孔,兼有宏觀和微觀孔隙,表面粗糙度和孔隙率增大。支架原有孔隙仍保持在500μm左右,新形成的較大的孔洞約50-300μm,較小的孔洞小于10μm;表面多孔PCL-TCP復合支架的力學強度接近人體松質骨的力學強度;負載納米DBM涂層修飾后仍能存在原有的多孔結構,孔徑在50-200μm不等,同時纖維表面涂布有大量形態(tài)不規(guī)則、大小不等的納米DBM團塊,最小粒徑在200-300nm。體外細胞學檢測中,相比于PCL-TCP復合支架和表面多孔PCL-TCP復合支架,表面多孔nanoDBM-PCL-TCP復合支架在BMSC的粘附增殖和成骨分化上更具優(yōu)勢,具有更好的骨誘導性。最后的動物實驗中,表面多孔nanoDBM-PCL-TCP復合支架在體內成骨效果優(yōu)于表面多孔PCL-TCP復合支架,植入后前者的骨體積分數(shù)和骨礦物密度明顯高于后者;與商業(yè)化的β-TCP人工骨相比,早期成骨納米DBM涂層支架效果稍好,但最終12周時的成骨結果兩種支架基本一致。該結果表明表面多孔nanoDBM-PCL-TCP復合支架具有良好的成骨特性,能夠有效促進新骨生成。研究結論本研究所制備的表面多孔nanoDBM-PCL-TCP復合支架具有良好的孔隙結構和近似松質骨的力學特性,它可以促進BMSC的粘附增殖和成骨分化,同時能夠促進臨界骨缺損的修復。該支架具有良好的體內外成骨能力,有望成為一種具有發(fā)展前景的骨移植替代物。
【圖文】：

電機助推微注射器（MotorAssisted Microsyringe，MAM）快速成型系統(tǒng)（備 PCL-TCP 復合支架。該技術屬于 FDM 技術，可以直接導入 STL 格式用 MAM 配套軟件設計打印模型。支架打印模型一：為新西蘭兔脛腓骨 CT 三維重建模型部分區(qū)域（圖 試支架的個體化制備，，設計纖維直徑 0.3mm，層高 0.25mm，疊加角度°，擠出噴頭移動速度 5mm/s；支架打印模型二：為長寬高均為 1cm 的正方體，進行體外物理性能表直徑 0.5mm，層高 0.3mm，疊加角度為 0/90°，擠出噴頭移動速度 5mmPCL 和納米 β-TCP 顆粒按照質量配比 10:0、9:1、8:2、7:3 的比例分別預過轉矩流變儀均勻混合，經切粒機制備 3D 打印所使用的不同混合比例材料。將預先制備的顆粒狀混合材料置入料筒，設定熔融池進料溫度 12 110℃，混合材料在熔融池內保溫 120 分鐘以上，確保充分熔融。融化過電機助推微注射器式精細噴頭擠出，纖維層層疊加形成支架。待支架其置入體積分數(shù) 70%乙醇中 24 小時，風干后密封保存?zhèn)溆谩?

表面多孔 PCL-TCP 復合支架的構建及其負載納米 DBM 涂層修飾作為骨移植替代物的實驗研究二、結果（一）表面多孔 PCL-TCP 復合支架的制備1、表面多孔 PCL-TCP 復合支架的構建通過 3D 打印機成功構建 PCL-TCP 復合支架，支架整體結構可控，可根據 CAD軟件自行設計，也可根據影像學數(shù)據進行個性化制備（圖 1-2）。將 10∶0、9∶1、8∶2、7∶3 質量比例混合各組的支架分別命名為 PCL、PCL-10%TCP、PCL-20%TCP、PCL-30% TCP。其中，PCL-30%TCP 制備過程中噴頭極易堵塞，無法完成支架構建。
【學位授予單位】：中國人民解放軍海軍軍醫(yī)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：R318.08;R68

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本文編號：2604964