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3D打印多孔钛支架搭载血小板复合细胞外基质的制备及仿生功能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

骨缺损是临床上常见的疾病，多由创伤、肿瘤切除、骨髓炎等原因引起，严重影响患者的生活质量。据统计，全球每年新增骨缺损患者数量众多，且随着人口老龄化和交通事故等意外事件的增加，这一数字呈上升趋势。目前，骨缺损的治疗方法主要包括自体骨移植、同种异体骨移植、异种骨移植以及使用人工骨替代材料等。然而，这些传统治疗方法存在诸多局限性。

自体骨移植虽被视为骨缺损修复的“金标准”，具有良好的骨传导性、骨诱导性和生物相容性，且无免疫排斥反应，但存在供骨量有限、取骨部位疼痛、感染等并发症，增加了患者的痛苦和手术风险。同种异体骨移植虽解决了供骨量不足的问题，但其免疫原性和疾病传播风险不容忽视，还可能导致免疫反应和血液传播疾病的传播，限制了其广泛应用。异种骨移植由于存在免疫排斥和潜在的感染风险，目前使用较少。而传统的人工骨替代材料，如磷酸钙骨水泥，虽具有良好的组织相容性，但机械强度较低，不适用于承载骨的修复；生物陶瓷如羟基磷灰石，在体内降解速度较慢，不利于新生骨的生长，通常需要与其他生物材料结合使用以提高适用性。

3D打印技术的出现为骨缺损治疗带来了新的希望。该技术能够根据患者的具体情况，精确制造出个性化的植入物，实现复杂结构的定制，提高植入物与骨缺损部位的匹配度。钛合金由于具有良好的生物相容性、较高的强度和耐腐蚀性，成为3D打印制备骨植入支架的理想材料。通过3D打印制备的多孔钛支架，具有多孔结构，可促进骨长入和骨整合，使骨与多孔结构之间形成机械连锁，从而提高固定效果。然而，单纯的3D打印多孔钛支架成骨性能仍有待提高，其表面生物活性较低，不利于细胞的黏附和增殖，限制了其在骨缺损治疗中的进一步应用。

血小板复合细胞外基质是一种富含多种生长因子和生物活性物质的复合物，具有促进细胞黏附、增殖和分化的作用，在组织工程和再生医学领域展现出巨大的应用潜力。将血小板复合细胞外基质引入3D打印多孔钛支架，构建具有仿生功能化的支架，有望提高支架的生物活性，促进骨组织的修复和再生。因此，本研究旨在制备具备血小板复合细胞外基质的3D打印多孔钛支架，并探究其仿生功能化效果，为骨缺损修复提供新的策略和方法。

1.2国内外研究现状

在3D打印多孔钛支架的研究方面，国外起步较早，技术相对成熟。美国西北大学的DavidC.Dunand教授团队通过使用直接油墨（DIW）技术制造含有钛和NaCl颗粒的墨水，并烧结形成具有分层多孔结构、低刚度和高延展性的钛支架，进一步拓展多孔钛的发展，相关研究成果发表在《ActaBiomaterialia》上。国内对3D打印多孔钛支架的研究也取得了一定进展，上海大学的研究人员对3D打印钛合金技术进行了分析和总结，指出目前钛基生物材料面临的挑战，强调人工智能在3D打印参数选择和结构优化中的重要作用，相关论文发表在《JournalofMaterialsScienceTechnology》。

在血小板复合细胞外基质的生物医学应用研究中，国外学者发现血小板能够促进肿瘤转移，其机制主要包括保护肿瘤细胞逃避免疫系统攻击、促进肿瘤细胞-内皮细胞黏附以及促进肿瘤生长和血管生成等。国内研究则更多集中在血小板复合细胞外基质在皮肤创面修复等方面的应用，如研究发现细胞外基质的某些成分可以刺激血小板聚集和凝血过程，从而达到止血效果，同时其含有的生长因子和细胞因子具有消炎作用，可减轻创面炎症反应。

然而，当前将3D打印多孔钛支架与血小板复合细胞外基质相结合的研究还相对较少，对于如何构建稳定且有效的血小板复合细胞外基质涂层，以及该涂层对3D打印多孔钛支架仿生功能化效果的影响机制等方面，仍存在诸多研究不足与空白，亟待进一步深入探索。

1.3研究内容与方法

本研究的主要内容包括：首先，采用合适的3D打印技术制备多孔钛支架，通过优化打印参数，调控支架的孔隙结构、孔隙率和力学性能，使其满足骨组织工程的要求；其次，提取血小板并复合细胞外基质，构建血小板复合细胞外基质涂层，研究涂层的制备工艺和稳定性；最后，将血小板复合细胞外基质涂层修饰到3D打印多孔钛支架表面，通过体外细胞实验和体内动物实验，探究支架的仿生功能化效果，包括细胞黏附、增殖、分化以及骨组织修复和再生能力等。

在研究方法上，对于3D打印多孔钛支架的制备，选用选择性激光熔化技术或其他合适的3D打印方法，利用高纯度钛材料，依据骨缺损模型设计支架的结构和大小；血小板复合细胞外基质涂层的构建采用离心、混合等常规生物学方法；体外细胞实验选用成骨细胞进行培养，通过CCK-8法、碱性磷酸酶活性检测、实时荧光定量PCR等方法检测细胞的黏附、