[01187340]组织工程用新型仿生功能梯度多孔支架设计与增材制造

组织和器官修复自古至今都是外科学的终极目标之一。组织工程科学出现在20世纪90年代早期,但当时人工组织移植与修复的能力很有限。组织工程科学家一直致力于设计制造仿生组织或器官,如：软骨、硬质骨、人工心脏、肌肉、神经、人工肝脏等。组织工程技术中总会需要3D多孔支架,该支架能实现体内或体外培养中细胞的初始黏附以及促进组织或器官形成。理想的支架应具有这些特征： 1)内部有相连通的高孔隙率多孔结构,能适应细胞生长、营养流的输送与代谢产物的排出; 2)具有生物相容性、与组织生长相匹配的可降解速率; 3)促进细胞黏附、增殖、分化的表面化学特征; 4)与周围组织相匹配的力学性能。其中在支架制造中最重要的是要对其宏观孔隙（空间形态、力学强度、密度、孔隙率）与微观孔隙形态（孔隙尺寸、分布和连通性）的精确控制。尽管已有一些传统的手工制造方法如：盐过滤法、气体发泡法、冷冻干燥法,但这些方法仅仅能实现对少数参数（如：孔隙率、孔隙尺寸）的粗调。最近发展起来的增材制造技术,如选择性激光烧结、激光快速成型、自由实体制造、3D打印、光固化立体造型等技术,解决了这一问题并成功应用于成型复杂零件。现在生物科学家也开始借助这些技术制造组织工程支架,结果证明这些技术所制支架可以调控细胞的空间分布以及生长因子的释放。申请人所带团队长期从事激光成型技术研究,前期工作证实对生物材料粉末进行激光选择性烧结是制造支架的合适方法,该技术过程为：将工作平台铺上一个薄层的生物材料粉末,由计算机控制激光头只烧结特定区域内的粉末,这一层烧结完,计算机控制平台下移一个薄层的距离,再次铺粉,烧结下一层,所以支架实体由这种一层一层的堆积方式制成,这种技术的优点在于：粉末可以充当支撑结构来支撑上一层的成形物,因此可以制造任意复杂的3D孔隙结构。 在支架设计方面,三重周期最小表面（TPMS）对许多科学家来说有特殊的吸引力,因为它为复杂的孔隙结构提供了一种简洁达意的描述,又非常适合增材制造。并且,采用TPMS方法能够突破其它方法设计孔隙几何形态的局限性。TPMS方法用三角函数隐式地表达周期孔隙形态,其构造可以通过改变参数而容易实现多样化,以满足不同的力学、化学、生物性能的需要。 生物材料支架可以使得细胞能完全可控地形成组织或器官。原则上,支架的功能是提供一个环境,通过细胞-支架、细胞-细胞间的相互作用来刺激细胞行为,如：迁移、增殖、分化、维持和死亡。因此,设计孔隙可控的组织支架有非常重要的意义。同时,支架需要对组织进行临时性支撑,这就造成两难局面：一方面,高的机械强度要求设计孔隙率低的支架;另一方面,细胞与外界物质交换需要设计孔隙率高的支架。因此,需要一个折中的、优化的设计方法来解决这种冲突。组织工程还强调支架应该提供一个仿生的力学环境来使得刚刚植入人体的支架立即起到必要的作用,随着组织生长,其结构会适当发生变化,同时其孔隙要能提供场地供细胞迁移和物质传送。为了实现这一目的,需要有一种方法能精确设计和制造功能梯度多孔支架。 另外,各向异性的孔隙率可以引导骨沿着孔隙率和力学强度梯度的方向进行再生,这可以控制干细胞分化,进而促进组织功能。有关学者制成替代老鼠右心室心肌的仿生组织,其在生理指标上非常接近原有组织,这表明根据仿生性能需要,精确设计制造微观结构是非常具有实际意义的。另据发现,胶原多糖支架上的微尺度结构能增加成纤维细胞的迁移速度并且诱导细胞在其存活期间内发生更多变化。不同的孔隙结构能影响靠近和远离该结构的细胞的运动方向和速度,这成为细胞外环境控制细胞行为的一种新生理机制。因此,支架内孔隙结构设计无论在体内还是体外对于功能重建都是最为重要的,也是本项目要重点研究的问题。 开展本项目研究,符合国家和地方中长期发展规划和重点发展产业要求,兼有提高国民健康水平和占领该领域学科、技术全球制高点的双重迫切性需要： 1.提高我国人民群众健康和生活质量水平的迫切需要 我国是人口众多、地域辽阔的大国,拥有13.3亿人口,社会正处于工业化和快速老龄化的特殊阶段。由工伤、自然灾害、老龄化、环境污染、交通事故所导致的各种人体组织、器官损伤和功能缺失,对国民的健康水平和生活质量造成极大影响。因此,大力发展人体组织功能重建及相关技术、产品已引起国家政府的高度重视,被列入国家和地方中长期发展规划和重点发展产业,国家投入大量人力、物力,并以优惠政策优先支持该产业发展。 2.全球战略性迫切需要 据统计,2011年全球生物材料及其产品的产值超过2000亿美元,我国骨修复市场仅约18亿元,高端市场几乎全被国外企业占据,我国生产同类产品的企业,由于规模小,缺乏开发资金和实力,很难与国外产品竞争。