利用生物反应器构建大段组织工程化骨的研究

摘要

目的：了解骨替代材料在人体内的生物学变化。探讨灌注培养法构建大段组织工程化骨修复羊胫骨节段性骨缺损的可行性。 方法：对43例人体的骨替代材料活检标本行硬组织切片检查，观察植入区的新生组织、材料的形态改变、降解颗粒及伴随的细胞反应。对复合羊骨髓基质干细胞(BMSCs)的大段多孔磷酸三钙(p-TCP)载体进行传统静态培养和利用灌注型生物反应器进行动态灌注培养，通过葡萄糖日耗量、细胞活力检测、电镜以及硬组织切片观察，比较两种培养对干细胞在载体内分布的影响。同时建立载体随机孔道结构的流体分析模型，通过载体内流速和剪切应力的分布探讨细胞分布的机理。将构建的组织工程化骨植入羊胫骨中段骨缺损，通过影像学和组织学检查观察骨缺损的修复效果。 结果：钙磷陶瓷周围和内部形成了数量不等的新骨，其中羟基磷灰石(HA)、煅烧骨、双相钙磷陶瓷形态基本完整，而β-TCP的结构变得疏松。陶瓷周围可见降解颗粒，一些颗粒位于多核巨细胞内。实验研究中葡萄糖日耗量和细胞活力随培养时间的延长而增加，动态培养组的葡萄糖日耗量和细胞活力明显大于静态培养组。培养前2周葡萄糖日耗量较后2周增加更迅速。动态培养4周时细胞活力高于2周(P<0.05)，而静态培养2周和4周时细胞活力未发生显著变化(PO.05)。计算流体力学分析显示流体能流到的部位几乎都有细胞生长，细胞生长较快的部位流速大多集中在0.2～0.6mm／s，剪切力大多集中在0.0050～0.025Pa，在羊胫骨中段3cm长的骨缺损中分别植入β-TCP、静态培养和动态培养构建的组织工程化骨，16周后β-TCP组无一例愈合(O／5)，静态培养组1例愈合(1／5)，动态培养组4例愈合(4／5)。各组β-TCP载体的原有结构消失，动态培养组的材料残余量明显低于其它两组。 结论：钙磷陶瓷具有良好的骨传导作用。HA、煅烧骨、双相钙磷陶瓷在人体内降解缓慢，而β-TCP则降解较快，陶瓷降解时产生降解颗粒并引起细胞吞噬反应。β-TCP在人体内的降解速度慢于动物。灌注型生物反应器能确保大段多孔β—TCP载体内的营养供应和气体交换，使BMSCs在载体内存活并增殖，提高细胞的复合效率，构建的组织工程化骨可修复长骨的节段性骨缺损。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文原创性声明及版权使用授权书

符号说明

第一章绪论

第二章多孔骨替代材料在脊柱后路融合中的生物学效应评估

第三章前路颈椎融合失败的骨替代材料的组织学观察

第四章骨替代材料作为人体骨缺损填充物的生物学效应评估

第五章利用灌注型生物反应器促进干细胞在大段磷酸三钙载体内扩增

第六章骨髓基质干细胞在大段β-TCP载体上增殖分布及其流场研究

第七章三维动态灌注构建大段组织工程化骨修复羊胫骨干节段性缺损

第八章全文总结

致谢

攻读博士学位期间发表的论文或参加的学术会议