周期性压应力对胶原支架多尺度动态矿化调控以改善其力学性能的闭环机制研究

目的矿化胶原的低力学强度限制了其在骨缺损修复上的临床应用。天然骨中,力学负荷影响骨基质的分级矿化,促进承受负载处的矿物沉积。本文通过在胶原支架动态矿化中施加不同幅度(0%、1.5%、3%、4.5%、6%)的周期性压应变,模拟人体骨骼在日常活动中受到的力学负荷,探究循环压应力动态调节胶原支架多尺度矿化来增强矿化胶原力学性能的闭环机制。方法通过傅里叶红外光谱、热重分析、透射电镜和选定区域电子衍射对支架中矿物质晶体转化及含量进行评价。通过染色、扫描电镜和能量色散X射线光谱分析不同尺度矿物的形貌和分布。通过力学测试评估了矿化胶原的力学性能。结合有限元分析,模拟胶原矿化过程中应力分布和矿物质的分布变化。结果周期性压应力能增加矿物质的渗透并优化矿物形态,显著促进胶原矿化。随着矿化程度的提高,矿化胶原的弹性模量显著增加。有限元分析结果表明,压应力通过改变矿物质的运输和沉积,调节矿化胶原的应力分布和力学性能,使矿化胶原具有与天然骨一致的多尺度矿化结构。结论本研究实现了对力学刺激调控胶原矿化的闭环机制(力学刺激/矿化结构/力学性能/应力分布/矿化过程)研究。这一发现为胶原矿化的深入理解及其在骨缺损修复中的应用提供了新的视角。