低温快速成型技术与骨组织工程支架制备

骨组织工程支架作为骨组织工程三大核心之一,在种子细胞黏附、生长、分化及骨组织血管化形成中起着重要作用。多数研究显示合适孔径及高孔隙率的骨组织工程支架有利于上述生理过程进行,而孔径及孔隙率取决于材料类型及成型工艺。低温快速成型技术作为一种新型快速成型工艺,具有可实现支架孔径的高度可控性、高孔隙率及保持材料生物学活性等优势,被迅速应用于骨组织工程支架制备研究。该文就低温快速成型工艺技术的原理、工艺设备及流程、技术优势、材料要求、成型材料特点、应用前景等作一综述。     

快速成型技术在骨组织工程支架制备中的应用

快速成型技术又称为固体自由成型技术,是采用离散堆积形成原理,综合了计算机辅助设计、数控、激光和新材料等多门工业技术的新兴数字化成型技术.组织工程的目的在于产生可替代的组织或器官移植物来修复受损部位,将快速成型技术应用于骨组织工程支架制备领域是为了满足支架个体化设计的需要,为实现组织工程向临床实际应用的过渡奠定基础.经医学影像技术重建出原有骨缺损部位的外部轮廓结构,利用计算机辅助设计完成植入支架内部细微结构并选择合适的生物活性材料,理想的快速成型技术可生产出符合骨组织工程所需要的支架.     

个性化外鼻形态组织工程支架材料的制作

目的 探索应用计算机辅助设计与快速成型技术制作个性化精确外鼻形状组织工程支架材料的可行性。方法 通过计算机辅助设计技术，对患者头颅CT数据进行三维重建，并对外鼻进行分割，得到外鼻的三维重建模型，并建立外鼻模型数据库。利用快速成型技术，打印出两块与外鼻模型对应的树脂阴模。将非编织聚羟基乙酸（PGA）置入树脂阴模内压制成型，再通过聚乳酸（PLA）包埋，提高支架的强度，最终制作出个性化外鼻形态PGA-PLA支架。结果 该外鼻形状支架具有精确的三维立体结构，符合组织工程化外鼻支架材料制作的形态需求。结论 应用计算机辅助设计与快速成型技术，能精确制作个性化组织工程外鼻形状支架材料。     

个性化外鼻形态组织工程支架材料的制作

目的探索应用计算机辅助设计与快速成型技术制作个性化精确外鼻形状组织工程支架材料的可行性。方法通过计算机辅助设计技术,对患者头颅CT数据进行三维重建,并对外鼻进行分割,得到外鼻的三维重建模型,并建立外鼻模型数据库。利用快速成型技术,打印出两块与外鼻模型对应的树脂阴模。将非编织聚羟基乙酸(PGA)置入树脂阴模内压制成型,再通过聚乳酸(PLA)包埋,提高支架的强度,最终制作出个性化外鼻形态PGA-PLA支架。结果该外鼻形状支架具有精确的三维立体结构,符合组织工程化外鼻支架材料制作的形态需求。结论应用计算机辅助设计与快速成型技术,能精确制作个性化组织工程外鼻形状支架材料。     

计算机辅助成型技术制备骨组织工程支架的研究进展

目的综述计算机辅助成型技术制备骨组织工程支架的应用和相关研究进展。方法广泛查阅近年有关计算机辅助成型技术制备骨组织工程支架的文献,并进行综述。结果近10余年来许多研究致力于计算机辅助成型技术制备骨组织工程支架。该技术包括骨支架建模和骨支架快速成型,骨支架建模方法包括医学计算机辅助设计界面法、STL界面法和反求界面法,反求界面法可以完全模拟正常骨组织,是目前最好的建模方法。快速成型包括多种方法,如熔融沉积技术、三维打印技术、选择性激光烧结技术、三维生物描绘技术、低温沉积制造技术,可以制备出包含骨骼内部结构的三维孔隙结构。结论随着支架建模和制造成型技术的不断改进,计算机辅助成型技术将成为制备骨组织工程支架的主要有效手段。     

骨组织工程快速成型支架改性的相关研究

目的探讨胶原杂化及磷灰石表面沉积改性后的聚乳酸一羟基乙酸共聚物／β-磷酸三钙（PLGA／β—TCP）作为快速成型支架应用于骨组织工程的可行性。方法使用骨髓基质干细胞对胶原杂化及磷灰石表面沉积改性后的PLGA／β-TCP的生物相容性进行评估，通过扫描电镜观察改性后材料的表面特性及细胞与材料复合的形态学特征；细胞与材料复合后的繁殖与分化能力分别使用细胞计数及碱性磷酸酶定量方法进行评估。结果通过对亲水性、细胞增殖能力及碱性磷酸酶测定证实改性后的PLGA／β-TCP快速成型支架较单纯材料其亲水性及生物相容性有明显提高（P〈0．05）。结论胶原杂化及磷灰石表面沉积改性后的PLGA／β—TCP快速成型支架可作为三维支架应用于骨组织工程。     

组织工程椎间盘支架材料的初步构建及理化性能分析

[目的]设计构建一种新型组织工程椎间盘的复合支架材料,为组织工程椎间盘的实验研究奠定基础.[方法]应用冷冻干燥、化学交联等组织工程技术构建一种包含有纤维环和髓核两部分、全新的组织工程化椎间盘支架材料,并对其理化性能进行初步分析.[结果]所制备的组织工程支架材料为三维立体多孔结构,外周纤维环部分平均孔径为(251 ±147) μm;中间髓核部分平均孔径为(102±29) μm;支架材料孔隙率平均为84.3％.吸水力平均为73.3％,体外生物降解率平均为(37.1±3.5)％.生物力学测试结果表明,组织工程椎间盘支架材料具有与天然椎间盘相似的弹性以及抗压强度.[结论]作者所制备的组织工程椎间盘支架材料符合理想支架材料的结构要求,可对其生物学性能进行进一步实验研究.     

快速成型技术在骨组织工程中的应用进展

慢性骨髓炎是骨科常见疾病,由于常有死骨和窦道形成,其治疗非常困难。骨组织工程的快速发展,为其治疗提供了新方法,快速成型(rapid prototyping,RP)技术是其中一种先进的制造技术,可以改变孔隙率和微孔的大小,从而适应不同组织工程材料的需要。本文就几种常见的快速成型技术在骨组织工程中的应用做一综述。     

静电纺丝制备肌腱组织工程支架的研究进展

目的综述静电纺丝(简称电纺)技术在肌腱组织工程支架制备方面的应用,描述其应用效果及前景。方法查阅近年来国内外应用电纺技术制备肌腱组织工程支架的相关文献,并从多方面进行阐述。结果电纺技术制得的电纺纤维,因其大比表面积和高孔隙率,近年来广泛用于肌腱组织工程支架材料的研究。包括聚乳酸在内的多种材料已成功电纺成各种类型的肌腱组织工程支架,并在肌腱缺损修复中取得良好效果。结论电纺技术为肌腱组织工程支架材料的制备提供了新途径,随着该技术的完善,其将会在肌腱组织工程领域拥有广阔的应用前景。     

椎间盘组织工程支架材料研究进展

目的 综述椎间盘组织工程支架材料及其应用的研究现状。方法 广泛查阅近年来有关椎间盘组织工程支架材料及其应用的文献，进行综述。结果 琼脂糖凝胶、藻酸盐凝胶、Ⅰ型胶原以及聚羟基乙酸和聚乳酸等仍然是目前椎间盘组织工程的主要支架材料，均具有较好的生物相容性。结论 研究开发具有良好性能的支架材料仍是椎间盘组织工程研究的热点和难点之一。     

低温快速成形人工骨的敷贴植骨实验研究

目的：本研究采用低温冰型快速成型技术制造的PLGA-TCP人工骨行山羊颅骨贴敷移植，观察其成骨过程与性状，探讨其临床应用的可行性。方法：以PLGA和TCP为原料，依据山羊颅骨缺损的CT扫描数据，用低温快速成型机制造人工骨支架。取12只山羊随机分为实验组和对照组，实验组用复合rhBMP-2的活性人工骨支架材料进行山羊颅骨贴敷移植，对照组为未复合rhBMP-2的人工骨支架。术后4、12周进行影像学检查，术后12周取材进行组织学观察评价体内成骨。结果：大体观察、CT扫描及三维重建显示术后12周实验组成骨良好，植入人工骨体积缩小20％，紧贴颅骨表面。组织学检查可见新生骨沿人工骨支架材料形成。对照组植入物完全吸收，未发现有骨或软骨形成。两组植入物的周边均未发现炎症等异常反应。结论：低温冰型快速成型技术制造的PLGA-TCP人工骨支架，复合rhBMP-2后成为活性人工骨，在大型动物体内进行敷贴移植成骨性能良好。本研究为今后的临床应用奠定了较好的基础。     

数字化快速成形技术在骨折畸形愈合个体化治疗的应用研究

目的通过数字骨科技术,利用计算机辅助设计软件及快速成形技术,初步探究数字骨科、快速成形技术在矫形外科手术中的应用意义。为骨折畸形愈合个体化手术方案的制定和实施提供一种参考方向。方法选择1例胫骨骨折术后畸形愈合的患者,进行双下肢DR摄影、连续螺旋CT扫描,利用数字骨科软件计算机分析、计算与数字化快速成形技术重建患者畸形骨骼模型,根据患肢在三维空间内的畸形情况,并通过计算机分析、计算截骨角度及截骨方向,并设计截骨导航模板,制定手术方案及术前模拟手术操作。术中将快速成形技术制作的截骨导航模板置于胫骨畸形愈合处,按照预先通过数字骨科技术设计的截骨角度进行截骨,后用骨延长支架进行固定。结果手术过程与术前模拟手术操作完全一致,通过数字骨科技术设计的截骨导航模板与患者胫骨畸形愈合处精确匹配,缩短了手术时间,减少了周围软组织损伤,手术顺利,无并发症,患者术后恢复好。结论数字化快速成形技术能够使骨科医生在术前精确、直观地了解四肢骨折畸形愈合的情况,提高诊断率,精确指导制定手术方案,模拟手术操作,提高了手术的精确性、安全性,缩短了手术时间。     

三种快速成型制作的聚酯/钙磷盐人工骨修复兔桡骨缺损的实验研究

目的检验3种聚酯／钙磷盐植骨材料修复兔桡骨缺损的效果,筛选理想的组织工程用生长因子载体。方法分别采用复合牛骨形态发生蛋白(bBMP)及单纯快速成型工艺制作的3种聚酯／钙磷盐载体材料修复兔桡骨15mm缺损,通过量化评价、影像学、组织学、材料降解及骨密度评价3种聚酯／钙磷盐载体材料修复兔桡骨缺损的效果。结果12周时各材料实验组骨缺损均愈合,各检测指标同对照组比较差异均有统计学意义,空白对照组骨缺损未愈合,以聚乳酸．聚羟基乙酸共聚物／磷酸三钙(PLGA／TCP)材料实验组修复效果最好,聚消旋乳酸／磷酸三钙(PDLLA／TCP)材料实验组次之,最后为聚左旋乳酸／磷酸三钙(PLIA／TCP)材料实验组。结论3种聚酯／钙磷盐材料制作的仿生活性人工骨皆可以修复兔15mm长骨骨缺损,其中以PLGA／TCP材料效果最为理想。     

Repair of the radial defect of rabbit with polyester/ tricalcium phosphate scaffolds prepared by rapid prototyping technology

Objective： To evaluate the effects of repairing rabbit radial defects with polyester/tricalcium phosphate scaffolds prepared by rapid prototyping technology loaded with bovine bone morphogenetic protein （ bBMP）, and find new carriers for growth factors. Methods： Polyester/tricalcium phosphate scaffolds prepared by rapid prototyping technology loaded with and without bovine BMP were used to repair the 15 mm radial defect in rabbit. Then the results of radiography, histology, scaffolds degrade rates and bone mineral density （BMD） were appraised to examine the effects at the 12th week. Results ： At the 12th week postoperatively, all defects treated with bBMP were radiographically repaired. No radius implanted polyester/tricalcium phosphate scaffolds without bBMP showed radiographic and histological union. At experimental groups, longitudinal alignment of lamellar structure was observed histologically at the 12th week,indicating that remodeling of regenerated bone was complete in different degree. Of the three experimental groups, the bony regeneration and remodeling of callus in poly lactide-co-glycolide/tricalcium phosphate （PLGA/ TCP） group was the best. The BMD values were beyond 70% of normal value at the 12th week while the PLGA/ TCP scaffolds group was the highest, and no abnormalities were observed in the surrounding soft tissue in all groups. Conclusions - Polyester/tricalcium phosphate scaffolds prepared by rapid prototyping technology loaded with bovine BMP can repair a 15 mm radial defect of rabbit. As for the results, the PLGA/TCP scaffold is ideal and better than poly L-lactide-co-D, L-lactide （ PDLLA/TCP ） scaffold, but the ploy L-lactic acid （PLLA/TCP） is not so good for its low degradation rates.     

组织工程支架的力学分析及相关模式探讨

目的探讨Tensegrity模式描述天然骨衍生材料的结构并进行力学性能分析。方法制备天然骨衍生材料,测定力学性能,用MurakamiNishimura的Tensegrity模式作分析。结果骨中压力杆羟基磷灰石受到5.91×108dyn/cm2压应力时若尺寸保持不变,由预应力为4.4×108dyn/cm2十二根水平胶原纤维和预应力为2.7×108dyn/cm2六根垂直胶原纤维组成的一阶Tensegrity结构为基本单位形成的n阶右螺旋圆筒结构的极限强度和极限应变等同于骨单元的力学性质。结论n阶多重右圆筒Tensegrity结构适合作为组织工程支架材料设计的模型。     

快速成形技术在骨科中的临床应用

[目的]利用快速成形技术（rapid prototyping technology，RPT）制成人体不规则骨骨骼损伤实体模型，探讨快速成形技术在骨科临床中的应用价值及前景。[方法]本组共23例，其中髋关节发育不良并股骨头无菌性坏死1例，跟骨骨折15例，胫骨平台骨折4例，L1椎体骨折2例，肩胛骨骨折1例，对此23例人体不规则骨骨折病变区域的CT断层扫描数据，利用专业软件和设备制成骨骼病损的实体模型，用于临床病情研究及辅助手术治疗。[结果]快速成形技术的应用有助于病情研究，辅助手术治疗，并提出新的损伤机理及治疗方法；明显缩短了手术时间；减少术中出血；提高了一次手术成功率以避免二次手术，取得了良好的治疗效果。[结论]快速成形技术对骨科临床及科研有广阔的应用前景。     

Hydrogel-beta-TCP scaffolds and stem cells for tissue engineering bone

Trabecular bone is a material of choice for reconstruction after trauma and tumor resection and for correction of congenital defects. Autologous bone grafts are available in limited shapes and sizes; significant donor site morbidity is another major disadvantage to this approach. To overcome these limitations, we used a tissue engineering approach to create bone replacements in vitro, combining bone-marrow-derived differentiated mesenchymal stem cells (MSCs) suspended in hydrogels and 3-dimensionally printed (3DP) porous scaffolds made of beta-tricalcium-phosphate (beta-TCP). The scaffolds provided support for the formation of bone tissue in collagen I, fibrin, alginate, and pluronic F127 hydrogels during culturing in oscillating and rotating dynamic conditions. Histological evaluation including toluidine blue, alkaline phosphatase, and von Kossa staining was done at 1, 2, 4, and 6 weeks. Radiographic evaluation and high-resolution volumetric CT (VCT) scanning, expression of bone-specific genes and biomechanical compression testing were performed at 6 weeks. Both culture conditions resulted in similar bone tissue formation. Histologically collagen I and fibrin hydrogels specimens had superior bone tissue, although radiopacities were detected only in collagen I samples. VCT scan revealed density values in all but the Pluronic F127 samples, with Houndsfield unit values comparable to native bone in collagen I and fibrin glue samples. Expression of bone-specific genes was significantly higher in the collagen I samples. Pluronic F127 hydrogel did not support formation of bone tissue. All samples cultured in dynamic oscillating conditions had slightly higher mechanical strength than under rotating conditions. Bone tissue can be successfully formed in vitro using constructs comprised of collagen I hydrogel, MSCs, and porous beta-TCP scaffolds.