CN113577379B - 一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架 - Google Patents

一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物医学工程技术领域，尤其涉及一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架。该支架通过结构设计实现其功能,包括以下步骤：构建多孔单胞结构；通过有限元分析方法对多孔单胞结构进行压缩实验的仿真模拟，得到匹配人骨力学性能性能的结构；将得到的多孔单胞结构进行细胞的负载，并对其通过计算流体动力学的方法进行细胞分化和骨组织分化的成骨能力的判定；将计算流体动力学结果反馈到有限元分析，进行结构修改，得到更加符合定向诱导骨组织分化的骨修复支架多孔单胞模型；使用3D打印技术制备高精度的骨修复支架。本发明所述的骨修复支架具备更好的成骨性能，并可以精准修复骨缺损部位。

Description

一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，尤其涉及一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架。
背景技术
对骨移植日益增长的需求以及自体移植和同种异体移植的局限性促进了骨组织工程新的发展。利用组织工程学方法和手段修复组织缺损是一种全新的治疗模式，具有广阔的应用前景，是目前医学研究的热点。同时3D打印技术的兴起，打破了传统制作工艺的局限，成为了制备骨修复支架的理想工艺。
目前绝大多数骨修复支架主要针对材料和机械性能进行研究和设计，在一个宏观的角度上获得较好的成骨性能。骨修复支架通常具备以下属性：（1）骨修复支架材料具有良好的生物相容性，当材料植入体内后，不出现不良反应；具有骨传导性，细胞能在其上面粘附、增殖、形成细胞外基质；具有生物活性，可以和周围组织形成化学键作用；（2）骨修复支架应具有良好的力学性能，在骨缺损修复过程中承受载荷，同时为新生骨长入提供一个定的完整的结构，而且植入材料与其所替代的骨组织的力学性能相匹配，避免出现应力遮挡现象；（3）骨修复支架结构具有可接受的孔隙率，且内部有三维贯通的孔道结构，能够用来进行营养物的输送，代谢产物的排放，新生骨的长入。人体天然骨的渗透性为0.4~11.0×10-9 m2。为给细胞存活提供必需的营养物和氧气，材料内部孔的尺寸至少要大于100微米。此外，新血管的形成需要更大的孔径；（4）骨修复支架能够被加工处理成各种形状和尺寸的结构，即与骨缺损形状相匹配。
现有技术中的骨修复支架可以满足宏观层面上成骨要求，但是忽略了决定成骨性能的关键---骨细胞的影响。骨细胞中的成骨细胞和破骨细胞负责骨组织的重塑，其中成骨细胞通过分泌胶原基质并控制其矿化来沉积形成新骨。而且，成骨细胞主要通过间充质干细胞的分化而来，假如可以预测和控制间充质干细胞的定向分化，便可以获得更好的成骨性能。据以往研究，当流体剪切应力（Fluid Shear Stress,FSS）<10mPA时，有利于成骨分化；10mPa<FSS<30mPa时，有利于软骨分化；30mPA<FSS<60mPA时，促进纤维组织形成；60mPA<FSS时，细胞无法分化。新骨生成包括膜内成骨和软骨成骨，流体剪切应力<30mPa，有助于成骨细胞和软骨细胞的分化，判定利于成骨。而且细胞是一个个体，应以整体眼光看待。因此，骨修复支架在体内应构建一个有利于细胞生长、增殖、分化的微环境，促进骨组织定向分化，从而增强骨修复能力。
综上所述，在满足骨修复支架的宏观层面的要求下，研究出一种通过骨修复支架的结构设计构建一个适合细胞生存的微环境，控制对细胞的的生物物理刺激，预测和实现间充质干细胞向骨细胞的定向细胞分化，从而实现骨组织的定向诱导分化，最终获得更好的成骨性能的新型骨修复支架具有重要的研究意义和临床应用意义。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架，本发明选用具有良好生物活性、生物相容性和骨传导性的羟基磷灰石为支架材料，制备适宜力学性能、高孔隙率、合适孔径大小的骨修复支架，并且支架环境有利于骨细胞的生长、增殖和分化，促进向骨组织定向诱导分化，增强成骨性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其制备方法包括以下步骤：
1、以500微米正方体单胞为结构设计基础，500微米的单胞尺寸可实现对骨缺损部位的高精度修复。
2、通过Solidworks软件对正方体单胞进行切除设计，形成多孔结构。通过不同形状和大小的切除策略，以满足力学要求和成骨需要。
3、对通过Solidworks软件得到的多孔单胞结构进行有限元分析（Finite ElementAnalysis，FEA），通过压缩实验的仿真模拟得到其力学性能参数。
4、根据人骨的力学参数，寻找相匹配的多孔单胞结构。
5、将第4步初步得到的多孔单胞结构通过CFD进行研究分析，筛选出有利于骨细胞和骨组织分化的多孔单胞结构。
6、将CFD结果反馈到FEA，进行结构修改，得到更加符合成骨要求的骨修复支架多孔单胞模型。
7、为实现骨修复支架的精准制造，不影响其结构和微环境，进而不影响成骨性能，采用先进的3D打印技术进行骨修复支架的制备。
骨修复支架的制备具体包括以下步骤：
1、使用Solidworks建立骨修复支架模型。应用于临床时，根据患者骨缺损CT建立骨支架形状模型，实现精准修复。
2、选择相匹配的多孔单胞结构构建骨支架，并将骨支架模型文件转换成3D打印所用的STL文件。
3、将STL文件导入3D打印机。
4、骨修复支架制备
（1）、将羟基磷灰石和粘结剂混合，得到3D打印浆料。
（2）、把浆料放入料筒，装入3D打印机，按照STL骨修复支架模型制备羟基磷灰石骨修复支架胚体。
（3）、将羟基磷灰石骨修复支架胚体以2℃/min的升温速度升至1200℃，、保温3小时候自然冷却，即可得到3D打印羟基磷灰石骨修复支架。
本发明提供的骨修复支架多孔单胞结构，与现有技术相比，在满足材料、力学性能和结构要求的基础上，其可以创建出适合细胞生长、增殖和分化的微环境，实现定向骨组织分化，增强成骨性能。
有益效果
本发明公开了一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架，本发明选用具有良好生物活性、生物相容性和骨传导性的羟基磷灰石为支架材料，制备适宜力学性能、高孔隙率、合适孔径大小的骨修复支架，并且支架环境有利于骨细胞的生长、增殖和分化，促进向骨组织定向诱导分化，增强成骨性能，并可以精准修复骨缺损部位。
本发明提供的骨修复支架多孔单胞结构，与现有技术相比，在满足材料、力学性能和结构要求的基础上，其可以创建出适合细胞生长、增殖和分化的微环境，实现定向骨组织分化，增强成骨性能。
附图说明
图1 ：本发明所述一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架的流程图；
图2 ：本发明实施例所述结构一的单胞结构示意图；
图3 ：本发明实施例所述结构二的单胞结构示意图；
图4 ：本发明实施例所述结构三的单胞结构示意图；
图5 ：本发明实施例所述压缩模拟试验的示意图；
图6 ：本发明实施例所述载细胞的单胞结构示意图；
图7 ：本发明实施例所述CFD模拟试验的示意图；
图8 ：本发明实施例所述CFD模拟试验的支架表面FSS试验结果图；
图9：本发明实施例所述CFD模拟试验的细胞表面FSS试验结果图；
图10 ：本发明实施例所述CFD模拟试验的不同单胞结构支架的渗透性结果；
图11 ：本发明实施例所述CFD模拟试验的不同单胞结构的支架表面适合成骨分化的FSS结果图；
图12 ：本发明实施例所述CFD模拟试验的不同单胞结构的细胞表面适合成骨分化的FSS结果图。
具体实施方式
以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
实施例
一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架，具体包括以下步骤：
一、骨修复支架的结构设计
骨修复支架以单胞结构为基础进行设计，单胞的特性决定了整体支架的特性，其可以排列成各种形状，方便快捷，以满足骨缺损的精准修复。
支架单胞以棱长为500微米的正方体为基础，对其进行结构设计。500微米的单胞尺寸可实现对骨缺损部位的高精度修复。
为满足力学性能和孔径要求，初步设计了三种不同的单胞结构，每种结构又对应三种不同孔径尺寸。
结构一为圆柱形单胞结构，其圆形孔的直径为200微米、300微米和400微米（分别命名为圆柱形-200，圆柱形-300，圆柱形-400）；
结构二为正方形单胞结构，其正方形孔的边长尺寸为200微米、300微米和400微米（分别命名为正方形-200，正方形-300，正方形-400）；
结构三为球形单胞结构，其球形内表面直径尺寸为520微米、540微米和560微米（分别命名为球形-520，球形-540，球形-560）。
总共九种结构，单胞结构示意图如图2-图4所示。
上述单胞结构具有三维贯通的孔道结构，具有100%的连通性，有利于细胞的播种、增殖和分化，并可以用来进行营养物的输送，代谢产物的排放，新血管的形成，新生骨的长入。单胞孔径大小必须满足血管化的需要。
如图5所示，利用CAD将上述九种单胞结构进行排列成2*2*4（长*宽*高，单位个）的支架模型，利用FEA对以上九个支架进行压缩试验的模拟，选择最佳的力学性能，以满足所修复部位的力学需求。表1为人骨力学性能参数。
表1. 人骨力学性能参数
抗压强度（MPa） 弹性模量（GPa）
皮质骨 130-180 12-18
松质骨 4-12 0.1-0.5
进一步的，初步选取符合力学性能要求的单胞结构进行CFD仿真模拟。
如图7所示，将选取的单胞结构建立5*5*5的支架模型，为简化模型，并在第二层和第四层中间的单胞建立细胞模型，采用CFD方法进行模拟分析，得到有利于骨细胞和骨组织分化的单胞结构。载细胞的单胞结构如图6所示。
为了使细胞和支架表面的紧密结合，对每个不同的单胞结构所负载的细胞模型进行细微修改。
CFD模拟试验的支架表面FSS试验结果如图8所示；
CFD模拟试验的细胞表面FSS试验结果如图9所示；
CFD模拟试验不同单胞结构支架的渗透性结果如图10所示；
CFD模拟试验不同单胞结构支架表面适合成骨分化的FSS结果图如图11所示；
CFD模拟试验不同单胞结构细胞表面适合成骨分化的FSS结果图如图12所示；
CFD结果以细胞表面流体剪切应力和支架的渗透性为判断结果，选取合适骨细胞和骨组织分化的结构。
进一步的，将CFD结果反馈到FEA，进行单胞结构修订，得到力学性能匹配和适合骨细胞分化的骨修复支架。
二、支架的制备
由于支架结构的精准程度，采用先进的3D打印技术进行制备。
1、使用Solidworks建立骨修复支架模型。应用于临床时，根据患者骨缺损CT建立骨支架形状模型，实现精准修复。
2、选择相匹配的多孔单胞结构构建骨支架，并将骨支架模型文件转换成3D打印所用的STL文件。
3、将STL文件导入3D打印机。
4、骨修复支架制备
（1）、将羟基磷灰石和粘结剂混合，得到3D打印浆料。
（2）、把浆料放入料筒，装入3D打印机，按照STL骨修复支架模型制备羟基磷灰石骨修复支架胚体。
（3）、将羟基磷灰石骨修复支架胚体以2℃/min的升温速度升至1200℃，、保温3小时候自然冷却，即可得到3D打印羟基磷灰石骨修复支架。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其特征在于，所述骨修复支架由以下方法制备：
（1）骨修复支架的结构设计，具体包括以下步骤：
S1：构建多孔单胞结构；
S2：对S1得到的多孔单胞结构进行有限元分析，得到匹配人骨力学性能要求的多孔单胞结构；
S3：将S2得到的匹配人骨力学性能要求的多孔单胞结构进行细胞的负载，并对其进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真模拟，筛选出有利于骨细胞和骨组织分化的多孔单胞结构；
S4：将S3计算出的结果反馈到有限元分析，进行多孔单胞结构修订，得到力学性能匹配和有利于骨细胞和骨组织分化的骨修复支架多孔单胞模型；
（2）支架的制备：根据步骤1所得的骨修复支架多孔单胞模型，使用3D打印技术制备所述定向诱导骨组织分化的骨修复支架。
2.根据权利要求1所述的定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其特征在于，步骤1中所述S1构建多孔单胞结构具体包括以下方法：以500微米正方体单胞为结构设计基础，通过Solidworks软件对正方体单胞进行切除设计，形成多孔结构。
3.根据权利要求2所述的定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其特征在于，所述的多孔单胞结构具有三维贯通的孔道结构，具有100%的连通性，所述的多孔单胞结构的孔径大小满足血管化的需要。
4.根据权利要求1所述的定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其特征在于，步骤1中所述S2具体包括以下步骤：
利用Solidworks将S1得到的多孔单胞结构进行排列成支架模型，利用有限元分析对支架模型进行压缩试验的模拟，通过压缩实验的仿真模拟得到其力学性能参数；
根据人骨的力学参数，寻找匹配人骨力学性能的多孔单胞结构，得到匹配人骨力学性能要求的多孔单胞结构。
5.根据权利要求1所述的定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其特征在于，步骤1中所述S3具体包括以下步骤：将S2选取的匹配人骨力学性能要求的多孔单胞结构建立支架模型，并在多孔单胞结构进行细胞的负载建立细胞模型，通过计算流体动力学的方法进行CFD仿真模拟分析，进行细胞分化和骨组织分化的成骨能力的判定，CFD结果以细胞表面流体剪切应力和支架的渗透性为判断结果，从而筛选出有利于骨细胞和骨组织分化的多孔单胞结构。
6.根据权利要求5所述的定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其特征在于，为了使细胞和支架表面的紧密结合，对每个不同的多孔单胞结构所负载的细胞模型进行细微修改。
7.根据权利要求1所述的定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其特征在于，步骤2所述支架的制备具体包括以下方法步骤：
S1：使用Solidworks建立骨修复支架模型；
S2：选择相匹配的多孔单胞结构构建骨支架，并将骨支架模型文件转换成3D打印所用的STL文件；
S3：将STL文件导入3D打印机；
S4：3D打印浆料放入料筒，装入3D打印机，按照STL骨修复支架模型制备骨修复支架胚体。
8.根据权利要求7所述的定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其特征在于，所述3D打印浆料包括羟基磷灰石和粘结剂。
9.根据权利要求7所述的定向诱导骨组织分化的骨修复支架，其特征在于，将所述骨修复支架胚体以2℃/min的升温速度升至1200℃，保温3小时候后自然冷却，即可得到所述的定向诱导骨组织分化的骨修复支架。
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