[发明专利]一种定向诱导骨组织分化的骨修复支架

说明书

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。

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；10mPaFSS30mPa时，有利于软骨分化；30mPAFSS60mPA时，促进纤维组织形成；60mPAFSS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。