基于力学支撑与稳定活性构建的新型3D打印生物活性类骨材料的研究
批准号:
82072449
项目类别:
面上项目
资助金额:
55.0 万元
负责人:
谯波
依托单位:
学科分类:
骨、关节、软组织损伤与修复
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
谯波
中文摘要
骨科植入材料需求量大,新材料、新技术快速发展。模拟人体骨组织的纳米羟基磷灰石/聚酰胺非降解生物材料在临床上逐渐应用,但体内外研究显示植入材料在骨长入、血管化以及材料-骨界面愈合方面仍存在不足。为改善非降解材料与自身骨组织的愈合界面,我们前期研究了表面改性对复合材料生物活性的影响,发现激光打孔制备的表面微孔能提高材料与骨组织之间的界面成骨;但内部微孔结构才能使细胞和血管长入,最终实现骨修复和替代。设计梯度微孔结构可在同一材料体系中调节孔隙大小、形态和分布,实现力学性能和细胞、液体流动的平衡,满足材料对生物活性和力学性能的要求。相比传统方法,3D打印技术可对骨植入材料进行内部复杂结构和精确尺度的设计与调控。本项目首次提出3D打印具有梯度微孔体系的纤维增强纳米羟基磷灰石/聚酰胺类骨生物材料,制备基于力学支撑的兼具稳定生物活性的复合材料,探讨3D打印类骨生物材料在骨组织修复和替代中的应用价值。
英文摘要
The increasing demand for orthopaedic implants is leading to a rapid development of new materials and technologies. Biomimetic nano-hydroxyapatite/polyamide composites have been used in clinical practice for more than 10 years. However, in vivo and in vitro studies have shown that the implants still have shortcomings in the bone ingrowth, vascularization and interface healing between non-degradable implants and bone tissues. In order to improve their healing interface, we researched the effect of surface modification on the biological properties of non-degradable composites in the previous study supported by the National Natural Science Foundation of China [Grant number81501876]. The results showed that the porous surface produced by laser processing improved the bone growth at the interface between nano-hydroxyapatite/polyamide composites and bone tissues. But it is the internal porous structure that allows the cells to migrate and blood vessels to grow inwards, and eventually achieve bone repair. Gradient porous structure can control the pore size, morphology and distribution in the same materials to balance the mechanical properties and the diffusion of both cells and nutrients, which meet the requirements of both biological and mechanical properties for the bone implants. Compared with traditional technologies, 3D printing can design and regulate the complex internal structure and precise scale of composites. Therefore, we proposed for the first time a strategy to 3D print gradient porous nano-hydroxyapatite/polyamide biomimetic composites reinforced by fibers which have enhanced mechanical properties and stable bioactivity. This project also would evaluate the capacity of 3D-printed biomimetic composites for bone repair and substitute.
骨植入材料需求量大,新材料、新技术快速发展,人体骨组织由羟基磷灰石和胶原组成,模拟自然骨组成是骨修复和替代植入材料的研究热点。纳米羟基磷灰石/聚酰胺66(nHA/PA66)是我国研发的具有自主知识产权的仿生骨修复和替代植入材料,具有良好的力学和生物学功能,在临床上应用已有20余年。为提升nHA/PA66骨修复能力、探索不同微孔体系的骨修复和替代生物材料的临床应用价值,本项目主要研究适用于3D打印的nHA/PA66材料,通过选择最佳的材料组成、设计不同的微孔体系,采用3D打印技术制备兼具优良力学性能和稳定生物活性的类骨生物材料,并对力学和生物学功能进行多维度研究。项目实施以来,我们成功制备了可用于3D打印的nHA/PA66材料,确定了适合3D打印的材料配比,并对打印参数进行摸索,发现采用激光烧结打印难以成功打印满意的nHA/PA66复合材料支架。通过尝试多种3D打印设备,最终采用德国阿博格X-300无模成型打印机成功打印具有不同大小微孔的nHA/PA66类骨生物材料的支架。我们同时构建了300μm、400μm、500μm、600μm不同微孔体系的3D打印nHA/PA66支架,发现400μm微孔体系的3D打印nHA/PA66支架骨长入优于其他微孔体系,符合我们预期研发兼具优良力学性能和稳定生物活性的类骨生物材料支架。在此基础上,为增强nHA/PA66多孔支架的力学强度,采用碳纤维和玻璃纤维对nHA/PA66进行改性、增韧,制备了可用于3D打印的纤维增强复合材料,但国内可获取的基于SLA和FDM技术的3D打印设备无法完成纤维改性的nHA/PA66微孔支架的打印。为减少支架孔隙纤维长入,项目组对nHA/PA66多孔支架进行了表面Mg修饰,提升了nHA/PA66多孔支架的生物学性能。此外,为探索具有梯度微孔体系的3D打印的骨修复和替代材料的构建条件、力学和生物学功能,我们使用一种常用的聚乳酸乙醇酸(PLGA)材料进行研究,成功构建了孔隙直径为400/600μm的3D打印梯度微孔支架,并对其力学性能和生物学性能进行了初步探索。综上,本项目研究认为3D打印具有微孔体系的nHA/PA66类骨生物材料支架在骨组织修复和替代中具有非常好的应用价值,可进一步推广。
3D打印多梯度异质结构骨修复生物材料的研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2024
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负责人:谯波
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依托单位:
非降解纳米羟基磷灰石骨修复生物材料与骨组织的愈合界面及相关机制研究
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批准号:81501876
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:18.0万元
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批准年份:2015
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负责人:谯波
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依托单位:
国内基金
海外基金