医用聚合物组织工程支架的制备方法及其结构性能研究

发布时间：2017-08-11 04:24

  本文关键词：医用聚合物组织工程支架的制备方法及其结构性能研究

  更多相关文章： 组织工程支架 微孔注射成型 静电纺丝 热致相分离 支架结构性能

【摘要】：组织工程支架是组织工程学中的一个重要组成部分。在组织工程中,支架能够暂时性地替代自体受损组织为细胞和再生的组织提供载体,并以一定的机械强度来维持人体正常的生命活动。怎样制备符合人体不同组织需求的理想支架一直是组织工程学研究中的重点和难点。在本博士学位论文中对微孔注射成型法、静电纺丝法、热致相分离法三种不同的组织工程支架制备方法进行了深入研究,通过对支架制备工艺过程的控制和改进以及对材料配方的组合优化,来精确地调控制备支架的微观结构和宏观性能,以获得具有高孔隙率、良好泡孔连通性、理想机械性能和表面性能、适合细胞生长繁殖的三维多孔支架。进一步采用自制模具结合不同工艺制备了能够模拟人体血管结构的小直径三层血管支架。微孔注射成型能够批量化生产聚合物多孔支架,在基于该技术的研究中通过正交试验分析了不同工艺条件对支架泡孔结构、机械性能的影响规律,发现加工温度与二氧化碳(CO2)含量对制备的热塑性聚氨酯(TPU)多孔支架的结构形态具有较大的影响。在发泡过程中使用水和CO2作为共同发泡剂能够制备无皮层结构的TPU支架且支架的泡孔尺寸更加均一、发泡面积更大。通过将软质与硬质TPU进行熔融共混以及微孔注射成型获得的发泡材料具有不同微观泡孔结构和宏观力学性能;该方法同样适用于高韧性的TPU与高强度的聚乳酸(PLA)体系,研究发现制备的TPU/PLA多孔支架能够满足多种组织修复的机械性能要求。在TPU基体内引入水溶性盐和聚乙烯醇(PVOH)作为致孔剂并结合粒子沥滤法可以提高制备支架的孔隙率和泡孔连通性、改善支架的细胞相容性。采用聚己内酯(PCL)/纳米纤维素晶体(CNC)复合材料进行微孔注射成型,由于CNC的增强及成核作用,获得支架的泡孔密度高、均一性好,且拉伸强度和断裂伸长率分别提升了71%和510%。静电纺丝法获得的纤维支架结构与人体细胞外基质相似且与细胞相互作用较强,在该方面研究中首先进行了TPU溶液的纤维形成机理研究,发现当溶液浓度高于2倍临界链缠结浓度(Ce)时纺丝可形成均一的无珠粒纤维,通过控制溶液中软段和硬段的比例能够调节支架的性能,从而影响细胞行为。其次,在TPU/羟基磷灰石(HA)复合材料纤维支架的研究中发现纳米级HA的分散性优于微米级HA,且人体间充质干细胞在含有纳米HA的纤维支架上的生长状态更好、分化程度更高。最后,研究中采用自制的纤维收集装置制备了高度单向取向和正交取向的TPU纤维支架,并通过在溶液中加入提高溶液导电性的纳米碳管(CNT)和聚丙烯酸(PAA)极大地提高了纺丝纤维的取向度,而且发现小鼠纤维细胞在具有取向结构的纤维上的繁殖能力、迁移速率和迁移距离都较高,且细胞趋向于沿纤维取向方向生长。热致相分离法能够制备孔隙率高、泡孔连通性好的三维多孔支架,在该方面研究中选用了多种溶剂体系和致孔剂来制备具有不同结构和功能的支架,结果发现使用二恶烷作为溶剂制备的支架为梯状泡孔结构,而使用水和二恶烷的混合溶剂制备的支架具有高连通性的圆形泡孔结构,且该结构支架的机械性能更强,而加入盐粒子作为致孔剂获得的支架孔隙率高达93%。在支架中添加HA能够起到良好的增强效果,而且含有纳米级HA的支架具有良好的仿生矿化能力,能够在模拟人体体液(SBF)中诱导形成类骨组织的磷灰石。采用二甲基亚砜(DMSO)作为溶剂同样能制备TPU多孔支架,加入纳米碳管(CNT)和纳米原纤化纤维素(NFC)能够有效改善支架的机械性能,细胞培养实验表明制备的复合材料支架均具有良好的细胞相容性。在多种支架制备工艺研究的基础上,结合静电纺丝、蚕丝编织和热致相分离法,使用自制模具开发了小直径多层血管支架制备新方法。通过静电纺丝法和热致相分离法的交替使用制备了同时具有TPU纤维网状结构和聚碳酸亚丙酯(PPC)三维泡孔结构的多层血管支架。进一步使用编织蚕丝作为中间层可制备获得“内层为纺丝纤维结构、中间层为蚕丝网状结构、外层为三维泡孔结构”的三层血管支架,该支架的性能满足移植手术和血液流动的要求,并且能够促进血管内皮细胞在支架内表面的粘附生长,起到防止血栓和凝血形成的作用。
【关键词】：组织工程支架 微孔注射成型 静电纺丝 热致相分离 支架结构性能
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08;TQ342.87
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 物理量名称及符号15-16
• 第一章 绪论16-36
• 1.1 组织工程学及组织工程支架16-18
• 1.1.1 组织工程的定义16-17
• 1.1.2 组织工程过程基本要素17-18
• 1.1.3 组织工程支架的植入18
• 1.2 理想组织工程支架的要求18-21
• 1.2.1 支架的微观结构19
• 1.2.2 支架的表面性能19-20
• 1.2.3 支架的机械性能20-21
• 1.3 组织工程支架的常用材料21-25
• 1.3.1 天然材料21-23
• 1.3.2 合成高分子材料23-25
• 1.4 组织工程支架的常用制备方法25-31
• 1.4.1 溶剂法制备25-29
• 1.4.2 非溶剂法制备29-31
• 1.5 血管组织工程支架概况31-33
• 1.5.1 血管组织工程支架的要求31-32
• 1.5.2 血管组织工程支架的常用制备方法32-33
• 1.6 本论文的研究目的、意义及研究内容33-35
• 1.6.1 本论文的研究目的及研究意义34
• 1.6.2 本论文的研究内容34-35
• 1.7 本章小结35-36
• 第二章 微孔注射成型法制备三维多孔支架的研究36-108
• 2.1 工艺参数对TPU支架形态结构的影响37-48
• 2.1.1 概述37-39
• 2.1.2 实验部分39-42
• 2.1.3 正交试验结果42-44
• 2.1.4 数据拟合分析44-47
• 2.1.5 Moldex3D模拟验证47-48
• 2.1.6 结论48
• 2.2 使用水和CO2 混合发泡剂制备TPU多孔支架48-59
• 2.2.1 概述48-49
• 2.2.2 实验部分49-51
• 2.2.3 样品形态结构分析51-53
• 2.2.4 样品拉伸性能与热性能53-54
• 2.2.5 红外光谱、热重、分子量分析及细胞毒性54-56
• 2.2.6 泡孔形成原理分析56-59
• 2.2.7 结论59
• 2.3 TPU支架泡孔形态及机械性能的调控研究59-71
• 2.3.1 概述59-60
• 2.3.2 实验部分60-62
• 2.3.3 TPU成分及其相容性62-65
• 2.3.4 TPU支架的泡孔形态结构65-66
• 2.3.5 TPU支架的机械性能66-69
• 2.3.6 TPU支架的降解性能及细胞相容性69-71
• 2.3.7 结论71
• 2.4 TPU/PLA多孔支架的制备与性能研究71-81
• 2.4.1 概述71-72
• 2.4.2 实验部分72-74
• 2.4.3 TPU与PLA的相容性分析74-76
• 2.4.4 TPU/PLA支架的结构形态76-78
• 2.4.5 TPU/PLA支架的机械性能78-79
• 2.4.6 TPU/PLA支架的细胞相容性79-81
• 2.4.7 结论81
• 2.5 微孔注射成型/粒子沥滤法制备TPU多孔支架81-93
• 2.5.1 概述81-82
• 2.5.2 实验部分82-84
• 2.5.3 TPU与PVOH的相容性分析84-86
• 2.5.4 工艺参数对支架泡孔形态的影响86-89
• 2.5.5 沥滤效果及支架亲水性分析89-91
• 2.5.6 TPU支架的细胞相容性91-93
• 2.5.7 结论93
• 2.6 PCL/CNC复合材料多孔支架的制备及性能研究93-106
• 2.6.1 概述93-94
• 2.6.2 实验部分94-97
• 2.6.3 PCL与PCL/CNC纳米复合材料的成分表征97-99
• 2.6.4 发泡样品的泡孔形态99-101
• 2.6.5 PCL/CNC复合材料的拉伸性能和流变性能101-102
• 2.6.6 PCL/CNC复合材料的的热性能和结晶性能102-105
• 2.6.7 PCL/CNC支架的细胞相容性105-106
• 2.6.8 结论106
• 2.7 本章小结106-108
• 第三章 静电纺丝法制备聚氨酯基纤维支架的研究108-162
• 3.1 TPU溶液流变性能及纤维形成机理108-121
• 3.1.1 概述108-109
• 3.1.2 实验部分109-111
• 3.1.3 TPU纺丝纤维成分分析111-113
• 3.1.4 TPU溶液的流变性能分析113-117
• 3.1.5 TPU纺丝纤维形态结构117-119
• 3.1.6 TPU纤维形成机理分析119-121
• 3.1.7 结论121
• 3.2 TPU纤维支架的性能及细胞相容性研究121-131
• 3.2.1 概述121-122
• 3.2.2 实验部分122-124
• 3.2.3 支架材料成分分析124-125
• 3.2.4 制备支架的热性能、润湿性及蛋白质吸附性125-127
• 3.2.5 支架性能对细胞生长行为的影响127-131
• 3.2.6 结论131
• 3.3 TPU/HA复合纤维支架的制备及干细胞的分化行为131-142
• 3.3.1 概述131-132
• 3.3.2 实验部分132-134
• 3.3.3 TPU/HA纤维支架成分分析134-136
• 3.3.4 TPU/HA纤维支架形态及HA分布136-139
• 3.3.5 TPU/HA纤维支架的机械性能及亲水性139-140
• 3.3.6 干细胞在TPU/HA纤维支架上的分化行为140-142
• 3.3.7 结论142
• 3.4 TPU基取向纤维支架的制备及溶液性质对取向度的影响142-152
• 3.4.1 概述142-144
• 3.4.2 实验部分144-146
• 3.4.3 纺丝溶液性质及支架成分分析146-149
• 3.4.4 平行取向和正交取向支架形态分析149-151
• 3.4.5 结论151-152
• 3.5 小鼠纤维细胞在取向纤维支架上的生长迁移行为152-161
• 3.5.1 概述152
• 3.5.2 实验部分152-154
• 3.5.3 小鼠纤维细胞形态及生长状况154-158
• 3.5.4 小鼠纤维细胞迁移行为158-160
• 3.5.5 结论160-161
• 3.6 本章小结161-162
• 第四章 热致相分离法制备聚氨酯复合材料三维多孔支架的研究162-192
• 4.1 TPU/HA骨组织工程支架的制备研究163-171
• 4.1.1 概述163-164
• 4.1.2 实验部分164-165
• 4.1.3 TPU/HA支架的成分及泡孔形态165-169
• 4.1.4 TPU/HA支架的机械性能分析169-170
• 4.1.5 小结170-171
• 4.2 TPU/HA支架的仿生矿化性能及细胞相容性研究171-180
• 4.2.1 概述171
• 4.2.2 实验部分171-173
• 4.2.3 TPU/HA支架的仿生矿化性能173-178
• 4.2.4 TPU/HA支架的细胞相容性178-179
• 4.2.5 结论179-180
• 4.3 TPU/CNT与TPU/NFC支架的制备研究180-190
• 4.3.1 概述180-181
• 4.3.2 实验部分181-184
• 4.3.3 TPU/CNT与TPU/NFC支架成分及热性能分析184-186
• 4.3.4 TPU/CNT与TPU/NFC支架的泡孔形态186-188
• 4.3.5 TPU/CNT与TPU/NFC支架的机械性能及细胞相容性188-190
• 4.3.6 结论190
• 4.4 本章小结190-192
• 第五章 小直径三层结构血管支架的制备研究192-211
• 5.1 静电纺丝与热致相分离法交替使用制备血管支架193-204
• 5.1.1 概述193-194
• 5.1.2 实验部分194-197
• 5.1.3 血管支架的形态结构197-200
• 5.1.4 血管支架的机械性能200-202
• 5.1.5 血管支架的细胞相容性202-203
• 5.1.6 结论203-204
• 5.2 静电纺丝，，蚕丝编织与相分离法结合制备三层结构血管支架204-209
• 5.2.1 概述204
• 5.2.2 实验部分204-206
• 5.2.3 三层血管支架的形态结构206-207
• 5.2.4 三层血管支架的机械性能207-208
• 5.2.5 三层血管支架的血管内皮细胞相容性208-209
• 5.2.6 结论209
• 5.3 本章小结209-211
• 结论211-213
• 参考文献213-235
• 攻读博士学位期间取得的研究成果235-240
• 致谢240-241
• 附件241

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 邓爱华;陈爱政;王士斌;王明宗;;超临界CO_2辅助工艺制备三维组织工程支架的研究进展[J];材料导报;2014年07期

2 何凤利;何进;尹大川;;静电纺丝制备组织工程支架的研究进展[J];材料导报;2014年23期

3 方丽茹,翁文剑,沈鸽,韩高荣,Santos JD;骨组织工程支架及生物材料研究[J];生物医学工程学杂志;2003年01期

本文编号：654230