草源性纳米纤维素复合明胶的制备及生物3D打印皮肤支架成型工艺的研究

发布时间：2020-04-20 17:53

【摘要】：明胶(Gelatin,GEL),既具有胶原蛋白(COL)所具有的生物相容性优势,又具有无抗原性、价格低廉、来源广泛等优点,因而成为一种可用于生物3D打印组织工程皮肤支架的潜在材料。但较差的力学性能限制了它的应用。通过将纤维素纳米纤晶须(Cellulose nanocrystals,CNC)填入明胶中可提高明胶的力学性能。本课题系统地研究了 CNC/GEL复合凝胶作为组织工程皮肤支架材料的可行性及通过生物3D打印组织工程皮肤支架的可打印性,取得了一些具有创新意义的成果:(1)通过硫酸水解法从凬草茎(Humulus japonicus stems,HJS)、玉米壳(Corn husk,CH)和小麦秸秆(Wheat straw,WS)中提取CNC。通过硫酸水解联合高温高压(HT)预处理法从Bleached HJS中提取HT-CNC。通过SEM、TEM、FITR、XRD、TGA等测试方法对样品性能进行了表征,研究了 HT预处理对于CNC性能的影响。研究结果表明:相比CH和WS,HJS是一种更为优质的CNC提取源。HT预处理过程中,HT-HJS发生了更充分地润胀,且氢键发生了重组,使得纤维内部分子排列有序性提高。酸水解过程中,HT-HJS横向的充分润胀有利于H+沿横向扩散速率的提高;氢键重组有利于沿纤维素分子链方向一致的纵向上结晶度的提高。最终得到了高长径比(63.40)、高结晶度(83.34%)的HT140-CNC,远高于未经HT预处理而直接提取的CNC的长径比(32.00)和结晶度(70.50%)。(2)分别使用两种长径比不同的CNC制备CNC/GEL复合凝胶,通过压缩实验和压痕试验对复合凝胶的弹性模量和断裂韧性进行了测量,研究了 CNC长径比及含量对复合凝胶力学性能的影响,建立了复合凝胶弹性模量和断裂韧性的预测模型。研究结果表明:高长径比的CNC可以更加显著的改善复合凝胶的弹性模量和断裂韧性。当CNC填充量达到10%时,CNC/GEL的弹性模量和断裂韧性达到了最大值,是单一GEL弹性模量的8.90倍,断裂韧性的8.31倍;当CNC含量大于10%时,GEL基体中的CNC发生了团聚,CNC/GEL的弹性模量和断裂韧性开始下降。通过对比与分析,分别对COX model和Jintegrai model进行了修正,修正后的模型对于CNC/GEL弹性模量预测的误差值在±2%以内,断裂韧性预测的误差值在±6%以内,明显优于原模型。(3)通过SEM、XRD、FTIR、DSC、溶胀率等表征方法对10%-CNC/GEL-5作为皮肤支架材料的化学稳定性进行分析;通过光学显微镜及SEM显微镜观察,CCK-8、Live/dead细胞染色的方法对10%-CNC/GEL-5作为皮肤支架材料的生物相容性进行分析。研究结果表明:相比GEL-5凝胶,10%-CNC/GEL-5复合凝胶的微观结构更加紧凑有序,稳定性也明显地更好。10%-CNC/GEL-5经交联处理后稳定性进一步增强,在37℃PBS溶液中可达到润胀平衡而不会溶解。生物实验结果证实交联处理后的10%-CNC/GEL-5仍具有良好的生物相容性。因此,10%-CNC/GEL-5满足作为皮肤支架材料的化学稳定性和生物相容性要求。(4)建立了 CNC/GEL水凝胶的流变特性理论模型,使用流变仪对水凝胶的流变参数进行了测量,并通过Fluent仿真的方法模拟了水凝胶在料筒内的挤出过程。理论模型表明水凝胶在喷头内流动受到剪切应力作用时发生“剪切变稀”,且在料筒和喷头的圆形截面上,剪切应力和速度沿直径方向成非线性分布。流变测试结果验证了CNC/GEL复合凝胶具有理论模型中的“剪切变稀”和粘度恢复”特性。Fluent仿真进一步证明了在料筒和喷头的圆形截面上,剪切应力和速度沿直径方向成非线性分布,且纤维在挤出喷头时会伴随着“挤出胀大”现象。三种不同的方式统一验证了 CNC/GEL具有可打印性。(5)通过3D打印实验,验证CNC/GEL水凝胶的可打印性,分析了 3D打印过程中支架的成型机理,及打印参数对成型效果的影响。研究结果表明:“剪切稀化”使得水凝胶可以顺利流出喷头,“挤出胀大”使得挤出纤维的实际宽度大于喷头直径,“粘度恢复”使得打印完成后的支架能够稳定成型,粘度恢复时间为30 s。打印压力、打印温度、喷头直径等工艺参数的变化会引起水凝胶在料筒内部的“剪切稀化”和“挤出胀大”的量变,从而影响到挤出纤维的实际成型效果。CNC加入后水凝胶内部分子之间的相互作用力增强,水凝胶的粘度和模量提高,抵抗变形能力增强,有利于改善支架的成型效果。10%-CNC/GEL-5复合凝胶具有最高的弹性模量,10%-CNC/GEL-5支架也表现出最好的强度和抗变形能力。
【图文】：

人体,皮肤,皮肤缺损,生物支架

皮肤是人体面积最大的器官，约１．２？２．０ｍ２，主要起着分泌排泄、调节人体温度、抗逡逑御细菌浸入、避免脱水等重要作用［１］。健康皮肤具有复杂的结构和活跃的新陈代谢功能，逡逑由表皮层、真皮层和皮下组织三个部分构成，如图１－１所示。在日常生活中，由于溃疡、逡逑烧伤、手术及先天性畸形等造成皮肤缺损与异常，给患者带来了巨大的心理压力及生活上逡逑的严重不便。对于任何直径大于４ｃｍ的全层皮肤缺损，人体都无法通过自身来完全愈合。逡逑为了避免创面处营养流失及细菌感染１２］，临床上通常用使用暂时性或永久性的皮肤替代品逡逑来覆盖损伤处。皮肤损伤修复治疗已经成为了一项全球性的公共卫生问题，由于免疫排斥逡逑及疾病传播等隐患的存在，临床上对皮肤替代物的要求越来越高。目前，临床上对于皮肤逡逑缺损的治疗方式分为三种：（１）自体皮肤移植；（２）异体皮肤移植；（３）异种皮肤或其它皮肤替逡逑代品移植。由于人体自身可用于移植的皮肤组织面积非常有限，而异体或异种皮肤组织移逡逑植又受到社会道德及卫生安全方面的限制。因而，传统的修复方法用于大面积皮肤损伤糸逡逑疗时非常受限。逡逑组织工程技术的发展为皮肤修复提出了新的技术方案。组织工程皮肤将在体外培养、逡逑繁殖的大量功能细胞混合到可以被人体降解并吸收的生物支架上形成细胞与生物材料ｆ逡逑复合体

示意图,打印技术,示意图,生物质材料

逡逑目前，生物３Ｄ打印技术按照原理主要分为如下三种（如图１－２所示）。喷墨生物打印逡逑（Ｉｎｋｊｅｔ邋ｂｉｏ－ｐｒｉｎｔｉｎｇ）：依靠压力、声波使生物质材料滴落成型；激光生物打印（Ｌａｓｅｒ邋ｂｉｏ－逡逑ｐｒｉｎｔｉｎｇ）：邋将一束激光透过透明基体聚焦在固体薄膜上，邋使一小部分固体薄膜加热至熔融状逡逑态并凝结在接收基片上；挤出沉积生物打印技术（Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｂｉｏ－ｐｒｉｎｔｉｎｇ严＇２４］：通逡逑过电机驱动喷头，，挤出生物墨水进行打印。逡逑其中，生物喷墨打印技术使用的喷墨喷头直径较小，容易发生堵塞，且受到机械力和逡逑热量的影响，容易引起生物质材料的变质和细胞死亡。激光生物打印技术具有较高的分辨逡逑率，但对于粘度较高的材料，由于打印层太薄将迅速失水，且能量吸收层在光照射过程中逡逑可能会存在产生有毒物质的风险［２５］。而使用低温沉积打印技术，可以避免加热过程对材料逡逑造成的影响，打印后细胞活性较高［２６￣２７］。另外，低温沉积打印制备的组织工程支架孔隙率逡逑较高
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08;TP391.73

【参考文献】