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骨组织工程中传统与仿生支架结构设计的差异
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作者 赵越 许燕 +4 位作者 周建平 张旭婧 陈宇彤 靳正阳 印治涛 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2025年第16期3458-3468,共11页
背景:多孔支架作为新骨生长的临时基质在骨修复过程中起着关键作用,其中多孔支架的结构设计是骨修复过程中的研究重点。目的:综述传统支架(规则、均匀的支架)和仿生支架(不规则、不均匀的支架)在骨组织工程研究领域的应用。方法:检索中... 背景:多孔支架作为新骨生长的临时基质在骨修复过程中起着关键作用,其中多孔支架的结构设计是骨修复过程中的研究重点。目的:综述传统支架(规则、均匀的支架)和仿生支架(不规则、不均匀的支架)在骨组织工程研究领域的应用。方法:检索中国知网(CNKI)、维普、万方、Web of Science、Science Direct、PubMed、EI等数据库,选取2008年1月至2024年3月发表的文献,中文检索词为“骨组织工程,仿生支架,骨小梁,传统支架,骨修复,三周期极小曲面”,英文检索词为“bone tissue engineering,bionic scaffolds,bone trabeculae,traditional scaffolds,bone repair,TPMS”。最终纳入81篇文献进行综述。结果与结论:骨支架的结构设计是实现骨修复和骨再生的关键,骨组织工程中的支架技术已取得显著进展。传统的规则多孔支架因简单的制造流程和良好的机械性能被广泛应用,然而这类支架往往缺乏生物活性,难以模拟自然骨组织的复杂微环境,限制了其在促进细胞增殖和骨再生方面的能力。相反,仿生支架通过模拟自然骨组织的结构特征,提供了更适宜的生理微环境,促进了成骨细胞的增殖、分化及新骨的形成,为骨缺损有效治疗提供了新的思路。尽管仿生支架在理论上具有巨大的潜力,但在实际应用中仍面临诸多挑战,支架的生物相容性、生物活性及长期稳定性等因素仍需通过临床试验进行进一步验证。 展开更多
关键词 骨组织工程 仿生支架 骨小梁 传统支架 骨修复 三周期极小曲面 拓扑优化 结构设计 单胞阵列
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抗纤维化与促“H”型血管核壳结构生物支架修复临界骨缺损
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作者 李永航 李文铭 +5 位作者 严才平 王星宽 向超 张袁 蒋科 陈路 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2025年第16期3420-3431,共12页
背景:在骨组织愈合过程中,促进新生骨的血管化是加速骨组织修复的常用策略,然而骨缺损修复过程中过快的纤维化进程常常被忽略。目的:设计并制备一种具有调节新生骨痂内纤维化及血管化进程的核壳结构仿生支架,表征其物理学特征,验证其体... 背景:在骨组织愈合过程中,促进新生骨的血管化是加速骨组织修复的常用策略,然而骨缺损修复过程中过快的纤维化进程常常被忽略。目的:设计并制备一种具有调节新生骨痂内纤维化及血管化进程的核壳结构仿生支架,表征其物理学特征,验证其体内外抗纤维化与促成骨性能。方法:制备具有调节新生骨痂内纤维化及血管化进程的核壳结构仿生支架,外层壳结构由聚己内酯静电纺丝纳米纤维负载成纤维细胞活化蛋白抑制剂组成,内层核结构由甲基丙烯酸酐明胶水凝胶负载去铁胺组成,表征静电纺丝和水凝胶的物理学特征,利用活死染色与CCK-8实验验证材料的生物相容性。通过成纤维细胞体外实验分析支架壳结构的抗纤维化作用,通过MC3T3-E1细胞体外实验分析支架壳结构中成纤维细胞活化蛋白抑制剂的促成骨作用,通过人脐静脉内皮细胞分析支架核结构中去铁胺的促血管形成作用。通过大鼠临界骨缺损实验评估核壳结构仿生支架的骨修复作用。结果与结论:①核壳结构仿生支架具有良好的生物相容性,静电纺丝技术制备的聚己内酯电纺纤维具有疏水性,在物理层面上有效阻隔外源性纤维组织长入,电纺纤维膜在2周内可有效释放抗纤维化药物成纤维细胞活化蛋白抑制剂,释放的抗纤维化药物可以抑制骨缺损周围成纤维细胞的生长、黏附,有效降低成纤维相关蛋白的表达,同时可促进MC3T3-E1细胞成骨蛋白的表达,加快其矿化速度;支架核结构中的去铁胺可促进人脐静脉内皮细胞的迁移、成管能力,并促进其强烈表达“H”血管特征性蛋白。②在SD大鼠的股骨制造临界骨缺损模型中,相较于聚己内酯膜,核壳结构仿生支架实现了骨缺损的有效修复。③结果表明,核壳结构仿生支架在预防骨痂过度纤维化的同时促进新生骨痂内“H”血管形成,能有效避免骨不连的发生,加速临界骨缺损修复进程。 展开更多
关键词 临界骨缺损 核壳结构仿生支架 静电纺丝 聚己内酯 水凝胶 抗纤维化 “H”型血管
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仿生骨支架微观孔结构的构建与评价 被引量:21
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作者 尤飞 姚远 胡庆夕 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第1期138-144,共7页
在分析人体骨微观孔结构和影响支架性能因素的基础上,提出仿生骨支架微观孔结构的构建与评价方法。基于多约束背包问题模型的结构,以椭球体作为构建微观孔结构负模型的单元体,利用混合遗传算法求解微观孔结构的负模型;并将孔隙率和连通... 在分析人体骨微观孔结构和影响支架性能因素的基础上,提出仿生骨支架微观孔结构的构建与评价方法。基于多约束背包问题模型的结构,以椭球体作为构建微观孔结构负模型的单元体,利用混合遗传算法求解微观孔结构的负模型;并将孔隙率和连通性作为约束条件,以保证仿生骨支架具有生物活性。通过不含微观孔的支架模型与负模型之间的布尔运算,构建含有微观孔结构的仿生骨支架模型。以支架的孔隙率、孔间的连通性、孔分布的均匀性、孔道的扭曲度和支架的比表面积作为评价指标,建立仿生骨支架微观孔结构的评价体系。基于支架微观孔结构的负模型,提出支架的孔隙率、连通性、均匀性、扭曲度和比表面积的计算方法,以实现对仿生骨支架微观孔结构的评价与优化。通过上述方法构建的仿生骨支架具有良好的生物活性、较好的力学性能以及均衡的降解速度。 展开更多
关键词 仿生骨支架 背包问题模型 微观孔结构 孔隙率 连通性
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仿生支架力学性能测试与分析 被引量:1
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作者 吴懋亮 史振升 朱东波 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第S2期21-24,共4页
仿生支架可以采用CAD建模方法设计内部结构,并采用快速成形加工制备仿生支架实体。仿生支架必须保证其结构形状和力学性能,其中力学性能与内部单元的排列方式和尺寸有关,通常采用的排列方式包括0/90°排列方式、0/60°/120°... 仿生支架可以采用CAD建模方法设计内部结构,并采用快速成形加工制备仿生支架实体。仿生支架必须保证其结构形状和力学性能,其中力学性能与内部单元的排列方式和尺寸有关,通常采用的排列方式包括0/90°排列方式、0/60°/120°排列方式及两两相交排列。通过力学试验证明:增大内部单元尺寸可以提高力学性能;在不同的排列方式中,0/90°排列方式的仿生支架具有较高的抗压性能,同时,承受压力的方向同样影响仿生支架的力学性能,在X方向和Y方向,仿生支架具有较高的压力承受能力;在支架受到外界压力作用时,支架的应力一应变不是均匀变化的,而是由4个不同的阶段构成。 展开更多
关键词 仿生支架 微孔结构 力学性能 建模
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仿生可降解组织工程纤维环支架的制备与评估 被引量:4
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作者 张维昊 徐宝山 +7 位作者 马信龙 张杨 郭悦 杜立龙 许海委 张凯辉 夏金健 邵鹏飞 《中国组织工程研究》 CAS 北大核心 2020年第4期524-531,共8页
背景:构建既具有仿生结构又具备合适可降解性和良好生物相容性的组织工程纤维环支架仍是难点。目的:以聚己内酯和聚二恶烷酮为原材料制备仿生可降解支架并评估其作为组织工程纤维环支架的可行性。方法:通过熔融纺丝技术制备5组不同比例... 背景:构建既具有仿生结构又具备合适可降解性和良好生物相容性的组织工程纤维环支架仍是难点。目的:以聚己内酯和聚二恶烷酮为原材料制备仿生可降解支架并评估其作为组织工程纤维环支架的可行性。方法:通过熔融纺丝技术制备5组不同比例支架(聚己内酯组、聚己内酯/聚二恶烷酮分别为70/30、50/50、30/70组、聚二恶烷酮组)。扫描电子显微镜观察其结构、纤维直径、孔径;测量支架的力学性能和接触角;通过体外模拟和皮下埋植观察支架体外、体内降解情况;检测降解组织周围炎症因子白细胞介素1β和肿瘤坏死因子α的表达情况。接种人脐带间充质干细胞培养7 d,通过CCK-8和死活细胞检测细胞增殖和存活情况。实验于2016-03-02经天津市天津医院医学伦理委员会批准。结果与结论:(1)扫描电子显微镜观察显示各组支架纤维粗细均匀,纤维成60°角;(2)力学性能分析显示单纯聚二恶烷酮支架的拉伸和压缩模量最低,不符合纤维环力学要求;聚己内酯组的力学性能最佳,聚己内酯/聚二恶烷酮为70/30和50/50的支架力学性能适中;(3)亲水性检测结果表明聚二恶烷酮含量越多,支架亲水性越好;(4)支架降解情况分析显示,对于组织工程纤维环再生修复来说,单纯聚二恶烷酮和聚己内酯/聚二恶烷酮为30/70支架降解过快,聚己内酯组的降解过慢,聚己内酯/聚二恶烷酮为70/30和50/50的支架降解速率较合适;(5)降解组织周围炎症反应分析显示支架中聚己内酯比例越高炎症反应越严重;(6)CCK-8和死活细胞结果显示人脐带间充质干细胞在聚己内酯/聚二恶烷酮三组混合支架具有良好的增殖活性并且存活率高;(7)结果表明,采用熔融纺丝技术制备的聚己内酯/聚二恶烷酮为70/30和50/50两组支架能够模拟天然纤维环结构,同时具备合适可降解性、优越的力学性能和良好生物相容性,适合用于组织工程纤维环支架的构建。 展开更多
关键词 聚己内酯 聚二恶烷酮 纤维环 仿生结构 支架 熔融纺丝 微米纤维 椎间盘
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基于丝素/胶原/羟基磷灰石仿生骨材料的多维结构及其性能 被引量:6
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作者 程威 张扬 +5 位作者 宋秀钢 林祥龙 刘洋 李瑞欣 徐云强 张西正 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第6期623-630,共8页
目的 体外构建丝素蛋白(silk fibroin,SF)、I型胶原(type I collagen,Col-I)和羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)共混体系制备二维复合膜和三维仿生支架,研究其理化性质和生物相容性,探讨其在组织工程支架材料中应用的可行性。方法 通过在... 目的 体外构建丝素蛋白(silk fibroin,SF)、I型胶原(type I collagen,Col-I)和羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)共混体系制备二维复合膜和三维仿生支架,研究其理化性质和生物相容性,探讨其在组织工程支架材料中应用的可行性。方法 通过在细胞培养小室底部共混SF/Col-I/HA以及低温3D打印结合真空冷冻干燥法制备二维复合膜及三维支架。通过机械性能测试、电子显微镜和Micro-CT检测材料的理化性质,检测细胞的增殖评估其生物相容性。结果 通过共混和低温3D打印获得稳定的二维复合膜及三维多孔结构支架;力学性能具有较好的一致性,孔径、吸水率、孔隙率和弹性模量均符合构建组织工程骨的要求;支架为网格状的白色立方体,内部孔隙连通性较好;HA均匀分布在复合膜中,细胞黏附在复合膜上,呈扁平状;细胞分布在支架孔壁周围,呈梭形状,生长及增殖良好。结论 利用SF/Col-I/HA共混体系成功制备复合膜及三维支架,具有较好的孔连通性与孔结构,有利于细胞和组织的生长以及营养输送,其理化性能以及生物相容性符合骨组织工程生物材料的要求。 展开更多
关键词 仿生骨材料 复合膜 三维支架 多维结构 生物相容性
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骨支架多孔结构建模综述 被引量:4
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作者 陈华伟 伍权 《现代制造工程》 CSCD 北大核心 2019年第6期147-153,共7页
3D打印技术的快速发展为复杂多孔骨支架的加工成型开创了条件,也使得组织工程支架研究工作重心从制造转向原型设计和高端个性定制。针对仿生骨支架复杂结构建模问题,重点介绍了造孔单元和功能梯度结构设计的研究现状,总结了现阶段仿生... 3D打印技术的快速发展为复杂多孔骨支架的加工成型开创了条件,也使得组织工程支架研究工作重心从制造转向原型设计和高端个性定制。针对仿生骨支架复杂结构建模问题,重点介绍了造孔单元和功能梯度结构设计的研究现状,总结了现阶段仿生骨支架数字化设计中存在的问题,并展望了未来可能的研究方向。 展开更多
关键词 数字化设计 仿生骨支架 3D打印 造孔单元 三周期最小化曲面 功能梯度结构
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基于梯度函数的仿生骨支架建模与评价 被引量:1
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作者 李颖 章兰珠 《计算机仿真》 北大核心 2022年第4期381-386,449,共7页
为了构建拟合实际骨微观结构且孔隙梯度变化连贯的仿生骨支架,在对实际骨进行Micro CT扫描和ROI分析的基础上,通过梯度函数与遗传算法相结合的方法,构建出既拟合实际骨孔隙分布规律又具有一定随机性的微观孔结构负模型,再将负模型与实... 为了构建拟合实际骨微观结构且孔隙梯度变化连贯的仿生骨支架,在对实际骨进行Micro CT扫描和ROI分析的基础上,通过梯度函数与遗传算法相结合的方法,构建出既拟合实际骨孔隙分布规律又具有一定随机性的微观孔结构负模型,再将负模型与实体模型进行布尔运算获得仿生骨支架模型。结果表明,仿生骨支架模型的孔隙率、梯度拟合度和连通性均优于其它模型,且通过梯度函数构建的仿生骨支架模型对各种形态和孔隙分布的骨骼均具有适用性,孔隙梯度变化更加连贯自然。 展开更多
关键词 梯度函数 遗传算法 仿生骨支架 微观孔结构
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Superstable potassium metal batteries with a controllable internal electric field
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作者 Hongbo Ding Yanhong Feng +3 位作者 Jiang Zhou Xinzhi Yu Ling Fan Bingan Lu 《Fundamental Research》 CAS CSCD 2023年第5期813-821,共9页
Stable potassium metal batteries(PMBs)are promising candidates for electrical energy storage due to their ability to reversibly store electrical energy at a low cost.However,dendritic growth and large volume changes h... Stable potassium metal batteries(PMBs)are promising candidates for electrical energy storage due to their ability to reversibly store electrical energy at a low cost.However,dendritic growth and large volume changes hinder their practical application.Here,referring to the morphology and structure of a virus,a bionic virus-like-carbon microsphere(BVC)was designed as the anode host for a PMB.A BVC with a three-dimensional structure can not only control the electric field,which can suppress dendrite formation,but can also provide a larger space to accommodate the volume change during the cycle progress.The designed potassium(K)metal anode exhibits excellent cycle life and stability(during 1800 h of repeated plating/stripping of K at a current density of 0.1 mA cm−2,K-BVC can realize a very stable K metal anode with low voltage hysteresis).Stable cyclability and improved rate capability can be realized in a full cell using Prussian blue over 400 cycles.This research provides a new idea for the development of stable K metal anodes and may pave the way for the practical application of next-generation metal batteries. 展开更多
关键词 bionic structures K metal anodes Internal electric field Dendrite inhibition 3D scaffolds
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纳米β-磷酸三钙-胶原/硫酸软骨素支架复合材料的制备与表征 被引量:1
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作者 薛媛 但年华 但卫华 《复合材料学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第4期881-889,共9页
根据仿生学原理,以纳米β-磷酸三钙颗粒(nanoβ-TCP)、胶原(Col)与硫酸软骨素(CS)为原材料通过热脱氢交联(DHT)-碳化二亚胺(EDC)复合改性制备了纳米β-磷酸三钙-胶原/硫酸软骨素(nanoβ-TCP-Col/CS)支架复合材料,利用XRD和AFM分析nanoβ... 根据仿生学原理,以纳米β-磷酸三钙颗粒(nanoβ-TCP)、胶原(Col)与硫酸软骨素(CS)为原材料通过热脱氢交联(DHT)-碳化二亚胺(EDC)复合改性制备了纳米β-磷酸三钙-胶原/硫酸软骨素(nanoβ-TCP-Col/CS)支架复合材料,利用XRD和AFM分析nanoβ-TCP-Col/CS支架复合材料的微观结构,并进一步采用SEM、XPS、TG和在模拟体液(SBF)中的矿化与降解实验等分析手段对nanoβ-TCP-Col/CS支架复合材料的结构与性能进行表征。结果表明:所用β-TCP晶体的平均尺寸为41.3nm,属纳米级;nanoβ-TCP-Col/CS支架复合材料中nanoβ-TCP与Col、CS之间具有较强的相互作用;nanoβ-TCP-Col/CS复合材料具有较高的稳定性、一定的矿化生物活性以及适宜的生物降解性,是一种潜在的口腔修复材料。 展开更多
关键词 仿生 纳米结构 支架复合材料 Β-磷酸三钙 胶原
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高仿真组织工程神经支架制备工艺的参数优化 被引量:2
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作者 刘靓 胡学昱 +3 位作者 张蕾 尤凤健 黄景辉 罗卓荆 《现代生物医学进展》 CAS 2011年第4期624-627,641,共5页
目的:对直接影响神经支架微观结构的关键因素进行分析,以确定制备不同孔径仿真支架的制备工艺。方法:用前期开发的神经支架制备工艺,应用不同浓度的醋酸浓度和冷淋速度制备仿真神经支架,以扫描电镜观察神经支架结构特征,以确定醋酸浓度... 目的:对直接影响神经支架微观结构的关键因素进行分析,以确定制备不同孔径仿真支架的制备工艺。方法:用前期开发的神经支架制备工艺,应用不同浓度的醋酸浓度和冷淋速度制备仿真神经支架,以扫描电镜观察神经支架结构特征,以确定醋酸浓度和冷淋速度对神经支架内部结构的影响。结果:醋酸浓度和冷淋速度对神经支架内部结构具有重要影响。醋酸浓度为0mg/ml时,无法制备定向结构的神经支架,当醋酸浓度为1mg/ml、2mg/ml、3mg/ml和4mg/ml时,可制备轴定向仿真支架,并且神经支架的孔径随醋酸浓度增大而增大;当冷淋速度为1×10-5m/s、2×10-5m/s和5×10-5m/s时,所制备的仿真支架内部均呈明显的轴向微管结构,其中冷淋速度为2×10-5m/s时,其轴向微管结构排列最为有序、规律。当速度为1×10-6m/s,2×10-6m/s,5×10-6m/s以及1×10-4m/s时,所制备的材料内部微管结构走向无明显规律。结论:醋酸浓度和冷淋速度是影响神经支架内部结构的两个关键因素,通过改变醋酸浓度和冷淋速度可制备不同孔径的仿真神经支架。 展开更多
关键词 仿真神经支架 结构特征 孔径 醋酸 冷淋速度
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