3D打印构建角膜基质的透光性理论及实验研究
发布时间：2021-07-15 12:40
角膜位于眼球前端的最外层,通过折射作用能够将入射光聚集到视网膜上,同时也能保护眼球免受外界病菌侵害。角膜本身是透明的,如果出现疾病很可能引发视力障碍。由于角膜内无血管,通过移植手术可以很大概率地帮助患者恢复视力且不会引起免疫反应。目前,可供移植的角膜数量远不能满足患者需求,利用生物材料构建组织工程化角膜是十分有效的解决方法。角膜基质由平行的胶原纤维板层构成,可在基质层上培养特定细胞完成其他层的构建。胶原是角膜基质层的重要组成成分,其组装成的胶原纤维具有良好的生物相容性和力学强度,是制备角膜供体的首选材料之一。挤出式生物3D打印设备可以打印高粘度胶原,并根据患者的实际需求定制角膜形状。本文旨在利用挤出式3D打印设备打印透光性能较好的胶原基质,探索材料参数、打印工艺参数对透光度的影响规律和胶原基质的生物相容性。首先,从牛跟腱中提取制备I型胶原材料,通过粘度幂律模型实现胶原剪切变稀行为的定量化描述。对影响胶原基质透光性的相关物理现象进行理论研究,主要包括:从光与物质的吸收作用出发解释胶原浓度对透光性的影响;从反射和折射作用出发得到能够使胶原基质透明的结构要求;从散射作用出发解释入射光波长对胶...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人眼球的内部结构[3]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-1.2角膜的结构与光学性能简述1.2.1角膜结构从宏观角度看，包括角膜在内的眼球外壁由规则排列的胶原纤维组织构成，其优越的力学性能可以帮助眼球保持整体形态，并保护眼球的内部结构不受外力和病菌侵害。角膜的边界与白色不透明的巩膜紧密相连，角膜与巩膜之间的过渡区叫做角膜巩缘[1]。角膜的形状略向前凸，整体呈横椭圆形，如图1-1。具体结构尺寸如下：（1）水平方向（鼻-颞方向）的直径略比竖直方向（上-下方向）大，水平直径约12.385mm，竖直直径约12.377mm，具体数值可能因人而异；（2）角膜中央（直径在6mm之内的光学区）的厚度约530μm，边缘（直径大于6mm的非光学区）的厚度约710μm[2]；（3）前表面的曲率半径为7.7mm，后表面的曲率半径为6.8mm，对大多数人来说，角膜前表面的曲率半径在水平方向和竖直方向也有差异[3]。角膜的表面曲率将直接影响其屈光性能。图1-1人眼球的内部结构[3]从微米尺度看，角膜由5个平行层组成，由外向内依次为上皮层(epithelium)、前弹力层(Bowman’smembrane)、基质层(stroma)、后弹力层(Descemet’smembrane)及内皮层(endothelium)[4,5]，如图1-2所示。图1-2角膜的组织结构示意图[6]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-a)扫描电镜下的基质板层b)透射电子显微镜下角膜横截面图1-3角膜内板层板层的排列方式[3]后弹力层负责连接基质层的后部与内皮层，是由内皮细胞分泌形成的基底膜，内部不含细胞。后弹力层随年龄增长而变厚，成年后约12μm[1]。后弹力层中的胶原纤维直径比基质层小，故而弹性更好。后弹力层对胶原酶有较强的抵抗作用[15,16]，对理化损伤也有很强的抵抗力。角膜内皮层由单层紧密排列的细胞构成，细胞呈扁平的六角形，损伤后不可再生[17]，厚约5μm。内皮层的主要功能是调节整个角膜的水合作用，是将基质中的水分输送到前房的重要介质。内皮层受损会出现肿胀和视力受损，只能靠周围的内皮细胞变形移动进行填补。从纳米尺度看，板层结构由直径相同且较其它结缔组织更细的胶原纤维组成。胶原纤维全部横向排列并与板层的方向平行，这种排列方式使角膜组织具有很高的径向强度。角膜中的胶原纤维排列高度有序，纤维直径约31nm，随年龄增加可增大到34nm[18]。纤维直径在角膜深度方向上没有变化且在角膜的大部分区域都保持恒定，但在距中心4mm处会急剧增大并向外递增，在角膜缘处增大到近50nm。胶原纤维的间距沿远离角膜中心的方向会出现两个阶段的增长[3]。在距角膜中心4mm的帽状区域内，纤维间距保持恒定约57nm；在距角膜中心4.5~5mm的区域即中心与角膜缘区的交界处，纤维间距增大到62nm；在角膜缘区域内，纤维间距的增大速度更快。基质中的胶原纤维主要是Ⅰ型胶原和少量的V型胶原，胶原分子间通过共价交联获得稳定，由于V型胶原的存在能够限制混合胶原纤维的分子数量，使其直径更校角膜基质中胶原纤维的含水量比巩膜和跟腱处更高，一个原纤维的横截面上约有300~400个三螺旋分子[2]，如图1-4所示，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]胶原和壳聚糖复合材料在组织工程支架中的应用[J]. 林红赛,黄永富,岳卫华,王春仁. 中国医疗器械信息. 2016(19)
[2]壳聚糖-胶原角膜修复材料的制备及生物相容性[J]. 杜倩. 中国组织工程研究. 2015(52)
[3]角膜修复用改性明胶交联膜的生物相容性评价[J]. 龙玉宇,任力,王家鸣,陈敏,刘杨,刘炳乾,王迎军,葛坚. 生物医学工程学杂志. 2013(01)
博士论文
[1]胶原基角膜修复材料的结构仿生构建与功能化研究[D]. 刘杨.华南理工大学 2014
硕士论文
[1]脉冲激光诱导的分子定取向动力学研究[D]. 刘劲松.山东师范大学 2019
[2]牛胶原蛋白三维载体支架的制备及其与人角膜基质细胞的生物相容性研究[D]. 李亚男.中国海洋大学 2015
[3]胶原基角膜修复材料的制备与性能研究[D]. 龙凯.华南理工大学 2015
[4]胶原蛋白复合支架的制备及其与人角膜基质细胞的生物相容性研究[D]. 随蓓蓓.中国海洋大学 2013
[5]角膜修复材料的制备及生物相容性研究[D]. 龙玉宇.华南理工大学 2012
[6]血液光透明的Mie理论分析[D]. 薛振峰.北京交通大学 2008
本文编号：3285724
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
人眼球的内部结构[3]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-1.2角膜的结构与光学性能简述1.2.1角膜结构从宏观角度看，包括角膜在内的眼球外壁由规则排列的胶原纤维组织构成，其优越的力学性能可以帮助眼球保持整体形态，并保护眼球的内部结构不受外力和病菌侵害。角膜的边界与白色不透明的巩膜紧密相连，角膜与巩膜之间的过渡区叫做角膜巩缘[1]。角膜的形状略向前凸，整体呈横椭圆形，如图1-1。具体结构尺寸如下：（1）水平方向（鼻-颞方向）的直径略比竖直方向（上-下方向）大，水平直径约12.385mm，竖直直径约12.377mm，具体数值可能因人而异；（2）角膜中央（直径在6mm之内的光学区）的厚度约530μm，边缘（直径大于6mm的非光学区）的厚度约710μm[2]；（3）前表面的曲率半径为7.7mm，后表面的曲率半径为6.8mm，对大多数人来说，角膜前表面的曲率半径在水平方向和竖直方向也有差异[3]。角膜的表面曲率将直接影响其屈光性能。图1-1人眼球的内部结构[3]从微米尺度看，角膜由5个平行层组成，由外向内依次为上皮层(epithelium)、前弹力层(Bowman’smembrane)、基质层(stroma)、后弹力层(Descemet’smembrane)及内皮层(endothelium)[4,5]，如图1-2所示。图1-2角膜的组织结构示意图[6]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-a)扫描电镜下的基质板层b)透射电子显微镜下角膜横截面图1-3角膜内板层板层的排列方式[3]后弹力层负责连接基质层的后部与内皮层，是由内皮细胞分泌形成的基底膜，内部不含细胞。后弹力层随年龄增长而变厚，成年后约12μm[1]。后弹力层中的胶原纤维直径比基质层小，故而弹性更好。后弹力层对胶原酶有较强的抵抗作用[15,16]，对理化损伤也有很强的抵抗力。角膜内皮层由单层紧密排列的细胞构成，细胞呈扁平的六角形，损伤后不可再生[17]，厚约5μm。内皮层的主要功能是调节整个角膜的水合作用，是将基质中的水分输送到前房的重要介质。内皮层受损会出现肿胀和视力受损，只能靠周围的内皮细胞变形移动进行填补。从纳米尺度看，板层结构由直径相同且较其它结缔组织更细的胶原纤维组成。胶原纤维全部横向排列并与板层的方向平行，这种排列方式使角膜组织具有很高的径向强度。角膜中的胶原纤维排列高度有序，纤维直径约31nm，随年龄增加可增大到34nm[18]。纤维直径在角膜深度方向上没有变化且在角膜的大部分区域都保持恒定，但在距中心4mm处会急剧增大并向外递增，在角膜缘处增大到近50nm。胶原纤维的间距沿远离角膜中心的方向会出现两个阶段的增长[3]。在距角膜中心4mm的帽状区域内，纤维间距保持恒定约57nm；在距角膜中心4.5~5mm的区域即中心与角膜缘区的交界处，纤维间距增大到62nm；在角膜缘区域内，纤维间距的增大速度更快。基质中的胶原纤维主要是Ⅰ型胶原和少量的V型胶原，胶原分子间通过共价交联获得稳定，由于V型胶原的存在能够限制混合胶原纤维的分子数量，使其直径更校角膜基质中胶原纤维的含水量比巩膜和跟腱处更高，一个原纤维的横截面上约有300~400个三螺旋分子[2]，如图1-4所示，?
【参考文献】：
期刊论文
[1]胶原和壳聚糖复合材料在组织工程支架中的应用[J]. 林红赛,黄永富,岳卫华,王春仁. 中国医疗器械信息. 2016(19)
[2]壳聚糖-胶原角膜修复材料的制备及生物相容性[J]. 杜倩. 中国组织工程研究. 2015(52)
[3]角膜修复用改性明胶交联膜的生物相容性评价[J]. 龙玉宇,任力,王家鸣,陈敏,刘杨,刘炳乾,王迎军,葛坚. 生物医学工程学杂志. 2013(01)
博士论文
[1]胶原基角膜修复材料的结构仿生构建与功能化研究[D]. 刘杨.华南理工大学 2014
硕士论文
[1]脉冲激光诱导的分子定取向动力学研究[D]. 刘劲松.山东师范大学 2019
[2]牛胶原蛋白三维载体支架的制备及其与人角膜基质细胞的生物相容性研究[D]. 李亚男.中国海洋大学 2015
[3]胶原基角膜修复材料的制备与性能研究[D]. 龙凯.华南理工大学 2015
[4]胶原蛋白复合支架的制备及其与人角膜基质细胞的生物相容性研究[D]. 随蓓蓓.中国海洋大学 2013
[5]角膜修复材料的制备及生物相容性研究[D]. 龙玉宇.华南理工大学 2012
[6]血液光透明的Mie理论分析[D]. 薛振峰.北京交通大学 2008
本文编号：3285724
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