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摘要
成骨和成血管是骨再生修复,尤其是大缺损修复过程中两个重要的环节。构建良好的多孔结构支架微环境快速推进成骨和成血管的过程,是骨缺损修复材料研究的重要方向,具有重要的科学意义和临床价值。本研究通过磷酸钙生物活性粉体原料的仿生制备和成型工艺参数的调控,突破3D打印磷酸钙生物活性陶瓷材料的关键技术,实现高固相含量和低有机添加剂加入量的生物活性陶瓷浆料打印,获得支架外形尺寸和内部微结构的精确调控。精确控制支架内部贯通孔尺寸,系统研究不同孔尺寸多孔支架对细胞成骨、成血管分化潜能,并结合动物模型进一步揭示其对不同类型骨缺损再生修复效果的影响规律,阐明其骨再生适配机制,为个性化生物活性陶瓷支架设计和新型骨再生修复材料研究提供重要的科学依据。（1）3D打印外形及内部孔尺寸精确可控的磷酸钙支架通过对打印粉体原料的仿生制备,得到具有高固相含量（50 vt%）、低有机添加剂（1 wt%）的β-磷酸三钙（β-TCP）生物活性陶瓷打印浆料。系统研究支架成型尺寸-打印参数-环境参数之间的关系,自主设计磷酸钙支架成型的环境控制系统,实现成型-固化匹配性打印,突破3D Plotting对大尺寸、不规则形状支架成型工艺难点,实现外形尺寸超过10 cm,内部微孔尺寸小至100μm的精确控制。（2）不同贯通孔尺寸磷酸钙支架对小鼠骨髓间充质干细胞（mMSCs）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）行为影响采用3D plotting技术研制出贯通孔尺寸为100μm、250μm和400μm的多孔β-TCP支架（Φ100、Φ250、Φ400）。支架经过热处理后具有较好的力学强度（85.26±2.71 MPa,71.81±2.32 MPa,36.08±5.86 MPa）,模拟体液中浸泡12 h,小孔尺寸可以更好地促进支架矿化。细胞实验结果表明:小孔尺寸支架有利于提高mMSCs细胞黏附,促进mMSCs细胞的成骨分化,大孔尺寸支架有利于HUVECs细胞的成血管分化。（3）不同贯通孔尺寸磷酸钙支架肌袋植入血管化能力将上述三种不同贯通孔尺寸的β-TCP支架植入到新西兰大白兔髂腰肌袋内,植入不同时间后取材进行组织切片染色分析。研究结果表明:支架中相互贯通的孔结构有利于血管快速长入,两周时支架内部有明显的血管形成。HE染色、免疫组化VEGF和CD31染色结果可知相互贯通的大孔尺寸为血管网络长入提供更大的空间,更能有效促进血管的形成。（4）不同贯通孔尺寸磷酸钙支架对不同类型骨缺损模型骨再生修复效果影响规律将不同孔尺寸的β-TCP支架分别植入到新西兰大白兔胫骨缺损处和SD大鼠的颅骨缺损处,大体观察、Micro-CT、组织切片染色和分子水平检测结果表明:三组材料在两个缺损模型中均表现出很好的生物相容性和骨再生修复能力,其中大孔尺寸支架通过加速开启软骨化进程和提高后期血管化水平获得最好的胫骨再生修复效果,小孔尺寸支架通过促进膜内成骨过程中的干细胞成骨分化获得最好的颅骨再生修复效果。本研究解决了3D打印磷酸钙生物活性陶瓷支架的关键技术难题,并基于构建的精准调控孔尺寸多孔支架,发现了支架贯通孔尺寸调控细胞行为和对不同类型骨缺损再生修复效果的影响规律,为新一代个性化骨再生修复支架的结构设计提供了一定的理论指导。
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