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具备血小板复合细胞外基质的3D打印多孔钛支架及其仿生功能化

朱威  
【摘要】:研究背景钛金属支架因其质轻、生物相容性好及耐腐蚀性等在临床中应用较为广泛,多孔形状钛金属支架在大块骨缺损、骨关节假体固定、股骨头坏死支架、骨质疏松置入物可以使组织长入孔洞中,达到更好的固定效果。然而钛金属本身的生物惰性并不利于组织张入及细胞攀附生长。现有研究集中在表面涂层修饰多孔钛孔洞以及复合缓释生长因子微球等,其细胞在支架内部仍停留在二维生长模式。本研究致力于在多孔钛孔洞内部营造适合细胞及组织的三维生长模式,使多孔钛仿生化。研究目的1, 在多孔钛金属内部制备具备类似细胞外基质的结构,研究其表征及生物活性。2,利用前成骨干细胞检测复合支架的成骨能力及生物相容性。3,在动物体内验证复合支架组织长入情况。研究方法1,根据micro-CT数据、组织解剖学测量,利用3D打印技术,制备适合细胞培养及动物体内植入的内部多孔均匀联通的钛金属支架。采用明胶热交联方法,在孔洞内部构建多孔联通的明胶微支架。并将血小板粘附至明胶表面,模仿天然细胞外基质。2,培养人类前成骨干细胞,接种至复合支架上。采用CCK-8细胞毒性实验,验证复合支架的细胞毒性。检测前成骨干细胞接种后各时间点分泌的碱性磷酸酶(ALP)及Ⅰ型胶原(Collagen I)细胞上清液表达量,验证复合支架的成骨能力。3,分别构建颅骨缺损模型以及股骨头缺损坏死模型,植入复合支架。通过micro-CT扫描以及病理组织切片方法,验证组织修复情况以及多孔钛金属支架内部组织长入能力。研究结果1,通过热交联法,可有效在3D打印多孔钛内部构建明胶交联孔洞,扫描电镜发现孔径大小在100um-300um之间,血小板也可复合至明胶表面。细胞释放实验发现复合支架可平稳有效低剂量释放生长因子至少21天。2,利用前成骨干细胞,接种至复合支架。CCK-8实验示复合支架内部细胞可以快速增长,生物相容性较好。而各时间点检测成骨细胞表达,发现在多个时间点,碱性磷酸酶及Ⅰ型胶原细胞上清液分泌量实验组均较对照组分泌明显增多(p0.05)。复合支架成骨能力较好。3,构建新西兰大白兔颅骨缺损模型以及股骨头缺损坏死模型。植入复合支架后取材,micro-CT示实验组支架可有效修复颅骨缺损及股骨头缺损,骨定量有明显差异(p0.05)。而颅骨缺损支架硬组织病理切片发现支架内部可有效生成成熟骨以及新生血管。研究结论在3D打印多孔钛金属支架内部构建明胶交联表面粘附血小板的细胞外基质,可有效低剂量长期缓释生长因子,生物相容性好。复合支架具备成骨能力,可有效修复大块骨缺损以及股骨头缺损坏死。


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