宏微尺度组织工程支架增材制造研究

发布时间：2020-05-26 03:56

【摘要】：作为细胞粘附的载体,并能提供模拟体内细胞外基质的细胞生长环境,组织工程支架在生物医学领域具有广泛的作用。理想的组织工程支架需要同时具备良好的生物相容性和足够的机械强度。制造出既能满足细胞生长环境需要又能具有足够机械强度的组织工程支架一直是一个两难问题。目前常规思路是在支架上修饰另一材料来改善支架的生物相容性,然而涂层修饰时引入其它材料又使得该支架走向临床存在很大难度。能否纯依赖结构的调整来实现支架机械强度与生物相容性的兼顾?由于细胞尺度大约在10微米,能否通过超细纤维(2-5μm)的引入来大幅改善常规支架的相容性?本论文结合熔融沉积成型技术和熔融近场直写技术,开发了宏微两尺度增材制造平台,使用同一个喷头实现了兼具生物相容性和机械强度的多尺度组织工程支架,微尺度的支架(5-20μm)为细胞的粘附提供更好的界面,宏观尺度支架(200-600μm)提供足够的机械性能。论文具体的工作如下:1、搭建了宏微两尺度支架增材制造平台。通过气压和高压电路的转换控制,实现了在同一喷头上集成熔融挤出工艺和熔融近场直写工艺,采用生物可降解的聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)材料,打印了 200-600μm和 5-20μm两种尺度结构。2、系统研究了微尺度支架制造工艺。首先,探讨了温度、气压、速度对微尺度纤维丝径的影响规律。其次,为了能够模拟真实组织复杂的微观结构,针对拖尾误差导致的复杂结构难以打印问题,提出了通过速度调控方法补偿打印过程中的拖尾误差,成功打印了具有多锐角拐角的复杂结构,例如蜘蛛网、花朵、蜗牛状复杂图案。3、系统研究了宏微两尺度复合支架工艺。首先,针对熔融近场直写和熔融沉积工艺特点,探讨了不同工艺打印顺序对打印结果的影响,以及不同速度和间距对微尺度纤维沉积形态的影响规律。其次,为了更真实地模拟体内组织的特定微观结构,通过可控调节打印路径,成功打印出了微尺度纤维填充形状和方向可控可调的两尺度支架。4、研究了宏微两尺度支架的生物兼容性。为了证明本文所制造的多尺度支架生物相容性,使用上述制造的多尺度组织工程支架,利用骨间充质干细胞(BMSCs)进行了细胞体外培养实验。通过细胞粘附、增殖、活性、形态等实验,对支架上的细胞生长状况进行评估。结果表明,由于微尺度纤维的存在,细胞很容易粘附支架,因而具有较高的增殖速率、细胞活性及良好的生长状态。
【图文】：

纤维粘合,聚合物,过程,溶液

体内自身运输系统，直接将其植入受损部位，在体内诱导成再生的组织或器官。逡逑细胞，信号（由生长因子化学提供或物理地通过生物反应器提供）和支架的这种逡逑组合通常被称为“组织工程三联体”，如图１．１所示。术语“组织工程构建体”是逡逑指在植入前经历过广泛体外培养的支架。术语“支架”是指在添加细胞（体内或逡逑体外）之前的由生物材料制造的结构［５］。逡逑医疗用途的组织工程支架已经在医院中大量使用。这些开创性的应用包括皮逡逑肤，肝脏，胰腺，肠，尿路上皮，食道，神经，瓣叶，软骨，骨，韧带和肌腱［６＿逡逑１７］。第一个商业应用案例是在１９９０［１８］年推出用于烧伤治疗的生物人工皮肤产品。逡逑已经上市的其他应用包括，软骨修复，造血祖细胞分离和癌症免疫调节治疗［１８］。逡逑然而，目前为止，用于组织工程的支架都不太理想。不仅因为缺少足够的机械强逡逑度［１９］，也因为它们在结构上无法很好地模拟细胞体内生长的外环境［２Ｑ］。逡逑１．１．２组织工程支架及其要求逡逑组织工程支架的基本作用是提供一个与体内细胞外基质相类似的细胞生长逡逑环境［２１］。由各种生物材料制成并使用多种制造技术制造的许多支架已经在本领逡逑域中用于试图再生体内的不同组织和器官。无论组织类型如何，在设计或确定支逡逑架在组织工程种的适用性时，许多关键因素都很重要，主要包括以下几点：逡逑１）

示意图,静电纺丝,示意图,技术

ｒ－逡逑图１．３传统静电纺丝基本装置示意图［４２］逡逑图１．３显示了传统静电纺丝的基本装置示意图，使用相对简单的技术，可以逡逑将超过５０种不同类型的有机聚合物被制成纤维，其直径从几十纳米到几徵米逡逑５Ｑ］。高庆［５１】等利用传统静电纺丝和ＦＤＭ技术制造了多尺度细胞支架，该细胞支逡逑架既具备了纳米尺度的细胞生长环境，又具备了邋ＦＤＭ工艺几百微米尺度的机械逡逑强度。制造流程如图１．４所示。逡逑（ａ）邋（ｂ）邋（ｃ）邋（ｄ）逡逑模型切片逦一？邋３Ｄ打印ＰＬＡ支架一？静电纺丝ＰＣＬ薄膜逡逑Ｖ逦Ｉ邋（ｄ２）逡逑曑p哄义仙鷠0凝肢和细胞逡逑固化整个结构逦—逦层层组装逦ｚ逡逑图１．４跨尺度细胞支架制造工艺流程［５６］逡逑６逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08

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