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3D打印多孔管状支架/水凝胶/缓释氧微球复合材料修复兔激素性股骨头坏死

王成强  
【摘要】:股骨头坏死(osteonecrosis of the femoral head ONFH)是一种临床常见的疾病,股骨头坏死一旦发生,若不给予适当的干预,病情会持续性加重,最后不得不行关节置换手术。ONFH相关机制尚未完全明了,股骨头坏死常伴随骨代谢失衡,主要表现为成骨细胞活性下降引起的骨形成减少以及破骨细胞活性增强引起的骨吸收增加,同时股骨头内脂肪组织增生,骨小梁稀疏,空泡细胞形成,进一步发展导致骨组织坏死和股骨头承重部位塌陷。这些表现都与坏死局部微循环障碍导致的缺血缺氧有密切关系,缺氧会影响内皮细胞的存活与功能,加重血管损伤与缺血,不利于血管再生,从而进入缺血缺氧坏死的恶性循环。髓芯减压和组织工程技术的联合应用延长了患者股骨头的生存率,但由于血管的重建需要很长的一段时间,植入物内部和骨坏死区域依靠分子扩散获取氧气和营养物质,较长时间内仍处于缺血缺氧状态,不利于内/外源性种子细胞存活和发挥修复作用。基于此,我们构建了一种长期缓释氧气的明胶/过氧化钙微球(gelatin/CaO_2 microspheres),另外制备一种复层管状多孔聚已内酯/纳米羟基磷灰石(PCL/nHA scaffold)支架,结合载有BMSCs的海藻酸钠/明胶水凝胶(sodium alginate/gelatin hydrogel),三者复合成具备良好力学特性和生物活性的可降解缓释氧支架,用于修复兔激素诱导的股骨头坏死。研究分三部分完成:第一部分提取了兔的骨髓间充质干细胞,通过鉴定细胞表面特异性分子标志物鉴定了细胞纯度,再通过诱导分化验证了细胞的多向分化潜能,最后经慢病毒转染构建了稳定表达GFP的BMSCs种子细胞。第二部分首先采用乳化分散法制备了 gelatin/CaO_2微球,通过检测微球的溶氧曲线,验证其释氧性能;再经体外与BMSCs共培养行活死染色和EdU增殖实验了解微球的生物相容性和生物学功能。然后采用3D打印技术制备了一种PCL/nHA多孔管状支架,通过BMSCs共培养CCK8检测支架的生物相容性。接着采用钙离子交联的方法构建了 sodium alginate/gelatin水凝胶,激光共聚焦检测水凝胶的载细胞性能。最后通过扫描电镜检测微球,支架,水凝胶的微观结构和复合支架载的细胞粘附效果。第三部分体内实验通过给予甲强龙和LPS构建兔的SONFH动物模型,髓芯减压并将复合支架和干细胞植入股骨头内,4、12周后通过micro CT和组织学检测评价ONFH的修复效果。第一部分结果显示成功提取了高纯度的BMSCs并构建了稳定表达GFP的种子细胞克隆。第二部分结果显示体外释氧微球可以持续释放氧气约4周,并具备良好的生物相容性和低生物毒性,并可以在严重缺氧条件下改善干细胞的增殖能力;微球形态均一,包被完整,支架具有的多孔结构和高贯通性,并具备细胞粘附性能。水凝胶具备良好载细胞并能增强细胞的粘附效果。第三部分结果显示;含有释氧型复合材料具有更好促进种子细胞存活和诱导新骨形成效果,移植种子细胞直接参与了骨的修复。综上所述3D打印多孔管状支架/水凝胶/缓释氧微球复合材料具备稳定的释氧性能,较非释氧材料具有更好的修复SONFH的效果,这可能和释氧材料有利于早期种子细胞的存活和增殖有关。释氧型组织工程材料将为组织工程修复ONFH提供新思路。


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