面向组织工程的自修复无机胶体水凝胶的研发

发布时间：2020-06-07 06:33

【摘要】：胶体凝胶是由不连续的胶体颗粒组成的、具有剪切变稀与特殊粘弹性特点的新型水凝胶,是一种依据自下而上方式构建的新型工程材料。胶体颗粒间的作用如静电力、亲疏水、氢键作用等赋予了胶体凝胶自修复的特性,因而在可注射医用填充材料、3D打印墨水等领域具有重要应用前景。现有的胶体凝胶体系多以柔性的高分子微纳米球为基本结构单元,力学性能较弱,难以满足承重组织/器官修复的要求。为了解决这一难题,我们首次尝试以带相反电荷的、刚性的、无机微纳米颗粒为构筑单元,通过胶体间可逆键构建具有剪切变稀且自修复性能的纯无机材料水凝胶,为组织工程应用提供新的、可注射、可塑性支架材料,并为无机材料3D打印技术开辟了无粘合剂/添加剂的新型挤出式3D打印墨水材料,通过胶体间可逆键构建具有剪切变稀且自修复性能的纯无机材料胶体凝胶,并以此作为无粘合剂、无添加剂的新型挤出式3D打印墨水。首先,利用具有良好表面修饰性能的SiO_2无机颗粒作为模型材料,通过St?ber法和化学接枝制备带有异种电荷的微纳米颗粒,并利用动态光散射(DLS)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)等检测手段对制备的二氧化硅颗粒进行表征,证实相反电荷的颗粒共混后的自组装现象。为避免带相反电荷两相胶体凝胶在共混时产生的不均一性缺陷,采用葡萄糖内脂(GDL)对静电吸引体系进行诱导自组装,进一步实现精准调控。利用共聚焦显微成像技术,从微观角度表征胶体自组装过程和凝胶胶体网络形成过程,并结合材料的流变数据,探讨了胶体凝胶结构与强度间的关系,证实了凝胶的弹性模量与复合股线的局部弹簧常数κ(ξ)有关。为了验证胶体间的静电作用力对形成凝胶力学强度的影响,通过流变实验测定了不同条件下的胶体凝胶的模量,发现纳米凝胶弹性模量随着SiO_2体积分数的增加而增加,并且当正负电荷颗粒比例R=2:1时,纳米胶体凝胶具有最佳的剪切强度,而R=1:1时具有最佳的粘弹性。通过对比纳米级与亚微米级颗粒组成的胶体凝胶的性质可以发现,亚微米颗粒也可以通过静电组装形成胶体凝胶,但是静电力对亚微米胶体凝胶的影响较弱,同等体积分数下,亚微米胶体凝胶的弹性模量仅为纳米胶体凝胶的1/10。胶体凝胶(φ=25%)的抗压测试与流变测试证明了其良好的可塑性能与自修复性能,Strain0.02时表现为弹性材料,模量可达374±20 kPa。为了验证无机胶体凝胶的可打印性,制备了不同铺设密度的支架,通过Micro-CT与SEM观察并分析其三维微观结构,发现支架的力学强度随着材料铺设密度的提高而增强。将支架经过阶段式温升处理,可以使纳米颗粒形成更致密的结构,强度提高4-8倍。最后使用NIH3T3细胞系对无机支架的细胞相容性进行了检测,CCK-8法检测细胞毒性实验表明细胞增殖大于100%,细胞生长良好。另外,通过细胞-支架接触实验可知,支架附着胶原后,NIH3T3可以贴附在支架上生长。综上所述,以SiO_2纳米颗粒作为基本结构单元的纯无机材料胶体凝胶具有良好的触变性、力学强度与生物相容性,是无粘合剂、无添加剂的新型挤出式3D打印墨水的良好材料,具备生物医学领域的应用潜力。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08

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本文编号：2701005