基于RP的骨组织工程支架构造及生物学特性分析

　　0　引言

　　治疗由于骨肿瘤、骨不连等疾病造成的大段骨缺损常常十分困难,其中方法之一就是利用工程技术制造三维支架,直接替代病患部位的骨骼植入体内或者先复合病人自身的成骨细胞进行体外培养,一段时间后再移植到体内,实现对大段骨缺损的治疗[1,2]。这种三维支架不但要具有良好的生物相容性和适合的降解速率,而且还要具备有利于氧气与营养物质的传输、细胞代谢物的排除、细胞生长与功能发挥的三维空间结构(主要是指支架内部微孔或微管道的分布、几何形状、尺寸、走向、分支、相互连通性等),以及与所替代部位相匹配的机械性能和表面化学物理特性。虽然传统的支架制造方法(如相分离/乳化、纤维粘接、溶液浇铸/粒子沥滤、熔融成形、气体发泡以及这几种方法的并用)应用已经十分广泛,但存在致命的缺点,主要表现为制造过程人工操作、使用有毒的有机溶剂,很难制造出与骨骼相匹配的外形轮廓[3]。使用快速成形技术来制造骨组织工程支架,不但可避免上述缺点,而且还可有效结合CAD技术,实现对支架结构的优化与仿生设计,以及对支架制造过程的精确控制。有关应用快速成形技术来制造骨组织工程支架的研究,在国内外都已见报道。国内主要是清华大学和西安交通大学在作这方面的研究,其中清华大学的研究重点是应用自行研发的基于快速成形的制造系统,将聚合物(如左旋聚乳酸)通过材料溶解、喷射堆积、低温固化和溶剂冻干等工艺,直接构造骨组织工程支架[4]。国外利用快速成形技术构造骨组织工程支架的研究相对较多,主要有SL、3DP、FDM、SLS直接构造方法[3,5],以及将快速成形和铸造相结合的间接制造方法[6]。

　　本文应用CAD技术精确设计骨组织工程支架的三维空间结构及相应的支架负型,并利用光固化快速成形技术制造出支架负型的环氧树脂原型,即支架模具。在支架模具中填充浆状生物材料,然后放入烘箱内烘干,再通过热分解的方式去掉环氧树脂模具,得到与设计结构相符的骨组织工程支架。

　　1　支架结构设计与制造过程

　　1.1　三维空间结构支架及其负型CAD设计

　　选用商业化三维CAD设计软件Unigraphics18.0作为设计工具。支架外形为圆柱体,直径14.5mm,高分别为11.2mm和22.6mm。其中结构Ⅰ(即高为11.2mm)支架的三维空间结构描述如下:x-y平面内是300μm×300μm的矩形通道,从支架中心沿径向延伸到外表面;z方向是直径为500μm的圆柱形通道,从支架顶端一直贯穿到底部,而且这些圆柱形通道在x-y平面内有环形通道将其连通。由这些微管道所产生的孔隙率为21.6%。该结构支架三维CAD模型如图1a所示,通过布尔运算得到相应支架的负型如图1b所示。结构Ⅱ(即高为22.6mm)支架的三维空间结构与结构Ⅰ基本相同,只是在结构Ⅱ支架的中心部位有一个直径为4.5mm的通孔作为骨髓腔。由微管道所产生的孔隙率为36.5%。其CAD模型如图1c所示,经过布尔运算获得的支架负型结构如图1d所示。设计这种结构的目的在于:①用于修复大段骨缺损;②在体外培养时,可以应用贯注的方法将细胞接种到支架内部所有微管道中,并且将培养液不断输送给支架微管道内的细胞,以维持细胞的生命力,使其增殖、分化,形成血管和新骨,或进行体内移植时,细胞可以随着骨髓或体液进入支架微管道内,并在体内微循环的作用下获得足够的营养,从而进一步增殖、分化,形成新的血管和骨骼。