近年來,骨組織工程的發(fā)展強調(diào)了合適支架設(shè)計的重要性,以使骨組織更易于整合和結(jié)合。三維多孔支架可以有效降低支架剛度和彈性模量,避免應(yīng)力屏蔽,并提供骨長入的孔隙空間,與骨組織形成骨融合,從而延長支架壽命。研究發(fā)現(xiàn),小梁尺寸、孔徑和孔隙率等關(guān)鍵孔參數(shù)將對多孔支架的力學性能和生物性能產(chǎn)生影響。因此,探索不同胞元結(jié)構(gòu)支架的力學和生物學性能對于骨組織工程支架的優(yōu)化至關(guān)重要。傳統(tǒng)的制造工藝,如粉末燒結(jié)、等離子噴涂和泡沫制造等,無法精確控制支架的外形及孔參數(shù)。幸運的是,隨著增材制造(AM)技術(shù)的發(fā)展,激光選擇性熔融(SLM)作為其中使用最廣泛的技術(shù),可以制造出與計算機輔助設(shè)計(CAD)模型相一致的多孔支架,滿足了對其孔參數(shù)的高度可控性。本研究利用CAD和SLM技術(shù)設(shè)計并制備出四種具有不同胞元結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金支架,通過三維有限元分析及壓縮實驗證實了其生物力學適配性,并在體外和體外評估了不同胞元結(jié)構(gòu)的多孔鈦支架對骨再生和骨整合的影響。第一部分:采用CAD和SLM技術(shù),設(shè)計并制備了四種具有不同胞元結(jié)構(gòu)的多孔鈦(Ti,Titanium)支架:Ti-r(鉆石型胞元,規(guī)則分布),Ti-ir(鉆石型胞元,隨機分布),Ti-g(鉆石型胞元,梯度分布(內(nèi)層孔隙率為60%,外層孔隙率為80%,平均孔隙率為70%)),Ti-tr(正十二面體胞元,桁架結(jié)構(gòu)(規(guī)則排列))。通過Micro-CT掃描重建三維立體結(jié)構(gòu)后,用Mimics軟件分析得出四組多孔鈦支架的孔參數(shù)與我們的設(shè)計基本吻合。繼而我們通過有限元分析和壓縮實驗檢測四組不同胞元結(jié)構(gòu)的多孔鈦支架的機械性能。有限元分析結(jié)果顯示,在100N垂直載荷下,Ti-r組和Ti-ir組產(chǎn)生的等效應(yīng)力峰值及等效位移較低。在該兩組中,Ti-r組內(nèi)部應(yīng)力分布均勻,而Ti-tr組有應(yīng)力集中區(qū)域,應(yīng)力集中主要分布在小梁交匯處。而Ti-ir和Ti-g組產(chǎn)生等效應(yīng)力和等效位移較大,且出現(xiàn)較多應(yīng)力集中區(qū)域。壓縮實驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致,Ti-r組和Ti-ir組的抗壓強度明顯好于剩余兩多孔組(Ti-ir和Ti-g),但四組多孔鈦支架彈性模量均處于4-6GPa,與骨組織的機械性能相匹配。第二部分:我們將人骨髓間充質(zhì)干細胞(hBMMSCs,humanbone marrow derived mesenchymal stem cells)在四組多孔鈦支架上接種并培養(yǎng):掃描電鏡(SEM)觀察顯示,多孔支架結(jié)構(gòu)完整,hBMMSCs在4種支架上生長良好,細胞活性高。在1,3,7h時,細胞與4組多孔鈦支架的粘附?jīng)]有明顯差異;在1,3,5,7d時,4組支架上的hBMMSCs均隨時間延長而數(shù)量增多,但組間沒有明顯差異;結(jié)果表明,四組多孔鈦支架的不同胞元結(jié)構(gòu)對hBMMSCs的粘附、增殖和活力方面影響無明顯差異。另外,我們對四組的支架上的hBMMSCs進行成骨誘導(dǎo),盡管在7天時,Ti-g組具有較高的堿性磷酸酶(ALP)活性,但在21天時,茜素紅染色及半定量分析顯示4組支架礦化能力相當。RT-PCR結(jié)果顯示在4組多孔鈦支架上的hBMMSCs表達成骨相關(guān)基因Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子-2(Runx-2),骨鈣素(OCN)和鋅指轉(zhuǎn)錄因子(Osterix)的水平差異不明顯。以上結(jié)果提示:在體外,4組多孔鈦都具有良好的生物相容性并對hBMMSCs的細胞行為影響并不顯著,有著相當?shù)某晒悄芰�。第三部�?我們選用12周齡的新西蘭大白兔成功的建立兔股骨缺損模型,并將他們分成5組并通過支架(4組多孔鈦支架+對照組致密型圓柱體)植入修復(fù),在術(shù)后2W,4W,8W時進行序列熒光標記并取材。通過硬組織切片染色,統(tǒng)計骨組織長入深度、面積和骨組織與支架表面的接觸率,結(jié)果表明4種支架在2周時均有新骨在孔隙中形成,并且隨著時間的延長,骨長入深度、面積以及骨組織與支架表面的接觸率均增大。在骨長入面積上,在Ti-r及Ti-ir組中,骨長入面積較另2組多,顯示出較其他兩組更好的成骨能力。而支架表面與骨組織接觸率顯示4組多孔鈦支架均可以在8W時形成良好的骨整合。通過序列熒光標記,觀察多孔支架孔隙內(nèi)骨的動態(tài)生成過程,結(jié)果顯示在四組支架中大部分新骨由宿主骨壁向孔隙內(nèi)生長,主要成骨模式為距離成骨。推出實驗結(jié)果顯示,在每個時間點,所有多孔組的推出力均明顯高于致密型植入物,但多孔組組間無顯著性差異。這些結(jié)果表明,四種不同胞元結(jié)構(gòu)的多孔鈦支架孔在修復(fù)小型骨缺損時均能提供了良好的骨再生,骨整合能力及早期穩(wěn)定性,但Ti-r組和Ti-ir組表現(xiàn)較剩余兩個多孔結(jié)構(gòu)更好。綜上所述,本研究中所設(shè)計并制備的四種不同胞元結(jié)構(gòu)的多孔鈦支架均與骨組織的機械性能相匹配,但Ti-r組抗壓能力最強,且支架內(nèi)部應(yīng)力分布均勻,具有更好的力學性能;在體外,四組多孔鈦支架均具有良好的生物相容性和成骨能力;在體內(nèi),四組多孔鈦均具有早期穩(wěn)定性,但Ti-r和Ti-ir組骨再生和骨整合能力更強;綜上,結(jié)合力學性能和生物學性能,我們認為Ti-r組這種結(jié)構(gòu)更有利于骨再生和骨整合。
【學位單位】：重慶醫(yī)科大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：R318.08;R68
【部分圖文】：

16圖 1.1 多孔支架的 CAD 模型Figure1.1 CAD models of porous scaffold.孔支架 CAD 模型（帶帽和不帶帽）；b.片狀多孔支架 CAD 模型；c.鉆石正十二面體胞元。 model of cylindrical porous scaffold with or without a cup; b. CAD modplate scaffold; C. Diamond cell unit; D. dodecahedron cell unit.

17圖 1.2.不同胞元結(jié)構(gòu)的多孔支架 CAD 模型（a.片狀；b.圓柱狀）1.2. CAD models of porous scaffolds with various macropore.（a.plates；b.cy

究生學位論文孔隙連通率 =與支架表面聯(lián)通的孔隙總體支架孔隙總體積元分析（FEA）的多孔支架（圓柱形）導(dǎo)入 3-matic 建立四種多有限元網(wǎng)格（圖 1.3），保存為.cbd 格式，接著導(dǎo)入 元模型，有限元模型劃分結(jié)果的單元數(shù)及節(jié)點數(shù)見（彈性模量 110GPa，泊松比 0.3）[33]，將支架架長軸相平行大小為 100N 的載荷，對多孔鈦支架

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本文編號：2814606