力学作用下微、纳米羟基磷灰石/壳聚糖共混体系中微观结构参数对成骨前体细胞MC3T3-E1生物学特性的影响

临床上骨缺损处植入骨修复材料以及组织工程化骨的体外构建，成骨细胞都是在三维支架内部贴壁生长的。支架材料将力学刺激从外部传递到细胞，影响支架材料的结构和性质，而细胞因受到力学刺激其增殖和分化的速率也将发生改变，进而影响组织的生长和其力学性质。如何在微观水平上确定细胞受到的力学刺激以及和细胞增殖、分化的关系是问题的关键。本课题制备复合支架材料，用基于Micro-CT的有限元模型分析力学作用下支架材料的结构参数变化，并与力学作用下支架上的细胞的生物学特性相联系，探讨支架结构参数、力学作用参数以及细胞生物学效应三者的关系。.制备了微、纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合膜及多孔支架材料；研究了不同表观应变下复合多孔支架内部应变的分布，确定了力学加载参数；研究了力学作用下复合支架材料内MC3T3-E1细胞的生物学响应。得出以下结论：（1）微、纳米HA与CS共混成膜后尺度效应不够明显，对MC3T3-E1细胞的黏附、增殖、凋亡无明显影响。（2）应用石蜡微球做致孔剂可以得到孔隙连通性良好的微、纳米HA/CS复合支架材料，但两种复合支架材料的微观结构参数基本一致。复合支架在溶菌酶的PBS溶液中可以发生降解，在4～8w降解速率大大提高，降解液中还原糖含量随降解时间的延长呈增大趋势。（3）应用基于Micro-CT的有限元方法，可分析不同表观应变下复合支架内部的应变分布，计算出利于细胞生长的最佳表观应变。循环压载荷促进了微、纳米复合支架内MC3T3-E1细胞的BMP-2、ColⅠ的mRNA蛋白表达，但对于OCN蛋白表达无显著影响。.采用低温快速成型法制备了丝素蛋白/双相磷酸钙复合材料；开展了力学载荷对丝素蛋白/双相磷酸钙支架内原位成骨影响的研究。得出以下结论：（1）应用低温快速成形方法制备的丝素蛋白/双相磷酸钙支架大孔直径为200μm，同时具备5μm左右的微孔，通过Micro-CT扫描后在Mimics中建模，可以看出支架内部孔隙具有良好的连通性。（2）支架具有良好的力学性能，随着双相磷酸钙含量的升高，支架的模量呈增大趋势，力学损耗也随之增大，三组支架的模量具有统计学上的差异。MTT、SEM、HE结果表明支架具有良好的细胞相容性。（3）有限元仿真较好地模拟在体加载实验，为建立加载模型提供数据支持。在体力学刺激能够明显提高三维打印支架内的成骨活性，促进成骨，频率1Hz组与10Hz组无明显差别。