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当因各种疾患引起患者大块颌骨缺损时,重建骨组织并恢复面部外形及咀嚼功能,提高患者临床生存质量极为重要。对于超过6-8 mm的骨缺损一般可以称为大块骨缺损,临床上结合缺损的部位、病因、程度,选择合适的治疗方案。现阶段的主要治疗方法有自体或异体骨移植、外来材料种植、及组织工程技术(再生医学)。相对于其它方法,组织工程骨具有能避免供区二次损伤,无免疫排斥反应及疾病传播等优点,为最终实现无损伤骨缺损修复开辟了一条新途径。骨组织工程的四个基本要素为种子细胞、支架材料、生长因子和生物力学微环境。传统组织工程骨缺损修复是将种子细胞接种到支架材料,经过一定时间的体外培养后,移植到体内继续构建。但组织工程骨也有自身的缺点：没有血供系统。营养物质的供给和代谢产物的排出主要通过有限的弥散和渗透,这阻碍了大块组织的构建。所以目前,组织工程骨仅限于修复体积小、厚度薄的骨缺损,也仅处在动物实验阶段。我们通过以下方面的研究,尝试解决大块组织工程骨构建中的一些难题。1)自制生物反应器模拟口腔力学微环境,促进组织内部营养供给、废物移除和刺激细胞成骨分化；2)人诱导性多功能干细胞(hiPSCs)最新干细胞技术用于口腔颌面部成骨；3)合成新型复合材料羟基磷灰石／壳聚糖／明胶(HCG),通过改变纳米羟基磷灰石(nHA)晶体结构、增加nHA含量等提高其骨诱导活性；4)血管化组织工程大块骨构建,包括3个部分工作：缺损个体化信息采集及具有内部管道的支架制作,体外细胞支架内部种植及营养灌注、力学微环境模拟,及裸鼠体内皮下移植。具体通过以下4个实验完成：实验1：体外模拟咀嚼循环三维细胞培养加力装置的研发及自制的口腔生物反应器促进牙髓干细胞(DPSCs)成骨分化。本实验提供了一种模拟口腔力学微环境的细胞培养装置,用于模拟口腔的咀嚼运动,模拟研究DPSCs在周期性的咀嚼压力作用下的增殖分化情况。同时,本装置还能调节所提供力学刺激的形式,境,在体外促进组织工程骨内部细胞的营养和成骨分化。实验2：新型细胞支架复合物的形成。本实验使用在口腔临床容易获得的人牙龈纤维细胞(hGFs)重新编程后建立病人自体诱导性多功能干细胞(hiPSCs),成骨分化诱导后,用来形成骨组织,并验证其用于临床自体修复的可能性及前景。本实验中合成的HCG-311提高HA在HCG复合支架材料中的含量至60 wt/wt%,更接近天然HA在人体骨中含量。体外实验和裸鼠体内皮下实验证明HCG-311具有良好的机械性能、生物相容性、生物活性和高度的成骨诱导分化促进作用。hiPSCs和HCG-311细胞支架复合物作为新型的组织工程骨有实现临床应用转化的潜在可能。实验3：nHA具有纳米级材料所具有的表面效应、量子尺寸效应、和宏观量子隧道效应等特点。本实验研究nHA的晶体结构类型影响HCG复合支架材料的生物活性,从而影响hiPSCs的粘附、生长、增殖、和成骨分化。结果表明,相比较含棒状nHA晶体的HCG支架,球形nHA晶体的HCG支架更加能够增加hiPSCs的增殖和成骨分化。研究表明hiPSCs和含球形nHA的HCG细胞支架复合材料作为组织工程人工骨在修复大块骨缺损中的可行性,为进一步的大动物实验及临床应用提供理论及实验依据。实验4：大块组织工程骨的患者个体化构建。首先,通过CBCT扫描、对骨缺损部位、形态、体积三维重建成像；再次,生成骨缺损CAD模型,加入内部管道的结构设计；最后,快速成型技术(RP)技术制造个体化模具(本实验中为16×16×16 mm3大小)及合成含有内部管道的大块HCG支架,观察hiPSCs与支架的相容性及细胞生长增殖分化情况。预实验中包括以下几个方面：1)3D骨缺损模具及内部管道的3D设计和打印；2)组织工程大块骨支架制造；4)体外实验(内部细胞种植)；5)细胞支架复合物裸鼠体内移植(内部营养灌注)。