材料及力學(xué)因素對磷酸鈣陶瓷骨誘導(dǎo)性的影響.pdf

1、目前研究認(rèn)為在磷酸鈣生物陶瓷骨誘導(dǎo)性潛能中發(fā)揮作用的材料特性包括:化學(xué)成分、宏觀及微觀幾何結(jié)構(gòu)和孔隙率。此外，生物體的種屬及植入部位也會影響材料的骨誘導(dǎo)活性。盡管對磷酸鈣生物陶瓷骨誘導(dǎo)現(xiàn)象的生物機制進行了大量的研究，卻仍缺乏對這些機制的系統(tǒng)性理解，這限制了生物陶瓷在臨床骨再生治療中的廣泛應(yīng)用。
　　本研究綜合考慮磷酸鈣生物陶瓷的宏觀孔隙結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)表面特性在異位骨形成中的作用，以及生理環(huán)境下應(yīng)力刺激對骨發(fā)生、發(fā)育及動態(tài)平衡起到的重

2、要作用，從體內(nèi)應(yīng)力環(huán)境、支架孔隙結(jié)構(gòu)和支架內(nèi)細(xì)胞受到的力學(xué)刺激之間的相關(guān)性角度入手，基于生物力學(xué)調(diào)控理論，對生物材料通過自身結(jié)構(gòu)特征調(diào)控骨誘導(dǎo)發(fā)生的機制進行探討。為深入研究磷酸鈣生物陶瓷與骨誘導(dǎo)發(fā)生的相關(guān)性機制提供新途徑，并對優(yōu)化設(shè)計可控骨誘導(dǎo)性的磷酸鈣生物陶瓷提供實驗和理論依據(jù)。包括以下內(nèi)容:
　　(1)將具有不同宏觀孔隙形狀和尺寸的羥基磷灰石顆粒堆積支架(HA spheres accumulating scaffolds，HA

3、SAs)和羥基磷灰石顆粒造孔支架(HA porogen-pore scaffolds，HAPPs)植入狗的背肌和腹腔，系統(tǒng)比較宏孔形狀和尺寸對支架異位成骨能力的影響。并構(gòu)建三維支架理論模型，對支架內(nèi)微流體動力環(huán)境進行流動仿真模擬，探討材料的宏觀結(jié)構(gòu)因素通過微流體動力途徑轉(zhuǎn)換為骨誘導(dǎo)調(diào)控信號的相關(guān)性。研究表明宏孔尺寸和形狀對HA多孔支架骨誘導(dǎo)性有顯著的影響，并且這種影響是兩種結(jié)構(gòu)變量共同作用的結(jié)果。流體仿真計算結(jié)果表明微流體動力環(huán)境影響支

4、架內(nèi)新骨形成和分布。研究發(fā)現(xiàn)微流體動力環(huán)境是材料的宏孔結(jié)構(gòu)因素轉(zhuǎn)換為骨誘導(dǎo)生物調(diào)控信號的重要途徑。
　　(2)通過調(diào)節(jié)溶膠-凝膠體系中HA/Chitin的質(zhì)量比制備具有不同表面微形貌（粗糙度、比表面積和微孔隙率）的HA球形顆粒。體外細(xì)胞實驗結(jié)果證實材料表面微形貌對BM-MSCs的生物行為有明顯影響，多孔粗糙表面在與BM-MSCs復(fù)合初期更有利于細(xì)胞的增殖，后期則利于細(xì)胞骨向分化。細(xì)胞在與致密光滑表面復(fù)合初期因增殖很快受限，因此提前

5、促進了BM-MSCs的骨向分化。總體來說多孔粗糙表面對BM-MSCs具有更好的促增殖和分化作用。每種表面都具有良好的細(xì)胞相容性。體內(nèi)動物實驗結(jié)果表明，本研究所用的具有不同表面微形貌的HA多孔顆粒支架均具有良好的生物相容性，而粗糙表面更利于支架植入體內(nèi)非骨部位后的異位骨形成。
　　(3)在體外構(gòu)建生理-微振動應(yīng)力環(huán)境，研究微振動應(yīng)力刺激（振幅≤50μm、強度＜1×g、頻率范圍在1-100Hz的極低幅度、低強度、低頻率的力學(xué)環(huán)境，MV

6、）對羥基磷灰石多孔支架材料上復(fù)合的BM-MSCs成骨分化和細(xì)胞外基質(zhì)礦化的影響，探討微振動對羥基磷灰石生物活性及生物力學(xué)性能的影響，以及與羥基磷灰石陶瓷骨誘導(dǎo)性之間的關(guān)聯(lián)性。研究發(fā)現(xiàn)微振動應(yīng)力環(huán)境能提升HA多孔支架生物礦化能力，有利于構(gòu)建成骨環(huán)境;微振動應(yīng)力環(huán)境通過三維多孔支架發(fā)生力學(xué)信號轉(zhuǎn)換誘導(dǎo)BM-MSCs成骨分化;并且微振動應(yīng)力環(huán)境和HA多孔支架協(xié)同提高了BM-MSCs成骨相關(guān)基因Cbfal/Runx2、Col-Ⅰ、ALP、OC的

7、表達和成骨特征性蛋白ALP的表達。
　　(4)將HA顆粒堆積支架(HASAs)植入實驗動物腹腔內(nèi)構(gòu)建體內(nèi)組織工程骨移植物，修復(fù)自體股骨節(jié)段性骨缺損，以探討利用多孔貫通生物材料支架在體內(nèi)自然生理環(huán)境異位培養(yǎng)組織工程化骨移植物修復(fù)大節(jié)段承重骨缺損的可能性。同時，也探討腹腔作為自體生物反應(yīng)器構(gòu)建特定形狀、大體積的組織工程骨移植物的可能性。研究證明腹腔內(nèi)低血供、低應(yīng)力負(fù)荷和缺少干細(xì)胞源性物質(zhì)的生理環(huán)境具有作為體內(nèi)生物反應(yīng)器構(gòu)建組織工程化骨