基于海藻酸钠/明胶双交联互穿网络水凝胶的血管网前体快速构建方法研究
发布时间：2021-11-23 16:37
目的:血管系统研究对于建立适合的肿瘤模型进而开发出有效的临床疗法具有重要意义。随着生物医学、计算机科学、机械工程学等学科的迅猛发展,光固化技术、熔融挤出技术、三维打印技术等多种先进成型技术被开发出用于体外构建血管系统模型。然而,体外构建血管系统仍处于初始阶段,技术尚存亟待解决的问题,如机械性能、连通性能、可加工性能等均较差。本文旨在探索体外快速构建血管网前体方法,实现其在机械性能、连通性能和可加工性能上的改进。研究方法:本文采用了海藻酸钠/明胶作为基质材料,通过一系列结构性能和生物性能测试进行分析、筛选和优化,制备具有一定机械强度和生物性能的双交联互穿网络（IPN）水凝胶,依据材料特性并结合现有3D打印机设备设计快速构建血管网前体的几种方法:气泡法、单喷头打印灌注法、单喷头浸入式打印法和双喷头交替打印法,再由结构性能和生物性能测试实验结果分析了几种方法用于构建血管网前体的可行性。结果:1、细胞在A-G-IPN水凝胶内生长状态良好,可依附于该浸润型支架进行新陈代谢、增殖等细胞活动。2、气泡法、单喷头打印灌注法、单喷头浸入式打印法和双喷头交替打印法均可构建连通性良好的3D多通道网状模型。3...
【文章来源】：中国医科大学辽宁省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
D打印的人工“肺泡”与周围血管2012年，宾夕法尼亚大学的ChristopherS.Chen教授等人打印了碳水化合物玻璃刚
中国医科大学硕士学位论文21.2研究现状来自美国华盛顿大学和莱斯大学研究团队的Grigoryan.B，Paulsen.S等人利用3D打印技术建立肺气囊模型[16]，并于2019年5月将其课题组研究成果发表在Science期刊，肺气囊模型图也作为期刊封面被广泛传播（图1.1）。该模型具有与人体血管和气管系统相似的网状结构，并且该网状结构能像肺部血管和气管系统一样向周围血管输送氧气，完成“呼吸”过程[16]。建立模型的主要困难在于建立为组织输送营养的血管网络。为克服这一困难，研究团队通过计算机程序将复杂的3D结构分解为多层2D打印的蓝图，将一种可被特殊光线固化的液态水凝胶作为打影墨水”，依照蓝图分层打印并逐层固化[16]。在层层堆积后，“墨水”固化形成了3D的凝胶结构。研究人员在测试过程中发现：红细胞从这一系统中流过时，能够有效地从呼吸的“肺部”获取氧气，这与肺泡的氧气交换过程一致[16]。该研究为人工制造血管化组织的发展做出了巨大的贡献。图1.13D打印的人工“肺泡”与周围血管2012年，宾夕法尼亚大学的ChristopherS.Chen教授等人打印了碳水化合物玻璃刚性3D丝状网络，并将其作为具有生物相容性、含有活细胞的人工组织模板，生成了可以内含细胞并在高压脉动环境下充血的圆柱形网络[17]。这种简单的血管铸型方法允许独立控制网络的立体结构、内皮化进程以及血管外组织成分，因此它适用于多种细胞类型、多种材料以及不同交联方法。图1.2碳水化合物玻璃材料丝状结构的形成2016年，美国加州大学洛杉矶分校的S.ThomasCarmichael教授课题组与美国杜克
中国医科大学硕士学位论文8图1.3海藻酸钠/明胶双交联互穿网络示意图：（a）海藻酸钠的G区与Ca2+交联示意；（b）明胶被mTG酶催化交联示意；（c）海藻酸钠与明胶在Ca2+和mTG两种交联剂作用下互穿交联示意1.4.2生物3D打印技术3D打印技术在10年前已成为国内讨论热点，经久不衰，甚至众多学者认为该技术的发展将会推动工业4.0时代的到来。3D打印技术已经引发了制造业的变革，在珠宝、建筑、零部件加工、产品设计、航天航空、教育、土木工程、医疗等方面都有广泛应用，在医学整形和修复等领域已凸显出其新颖性和创造性，在组织工程与再生医学方面的器官制造技术上，3D打印多次刷新纪录[69-77]。国内外学者们将生物材料科学和干细胞技术融汇结合后开发出各种“生物墨水”，利用3D打印技术制备了模拟人体组织和器官的生物学前体，例如人工打印的心肌组织、肝组织、血管化脂肪组织、软骨、骨、皮肤等等，为人类的组织和（或）器官的修复和再生带来了希望[70-77]。广义的3D打印技术在生物3D组装领域存在多个发展方向，如熔融沉积技术、低温沉积制造、类3D喷墨技术、光敏固化、液体3D打印技术或微滴技术的3D排列等[70-77]，开发这些技术的重要目的之一都是在体外构建适用于临床或非临床医疗领域的人工组织和（或）器官。虽然3D打印技术具备机械工程技术领域的高精密度和高自动化程度，但是在很多情况下更适用于生物相容性较差的合成高分子材料，使该技术在生物相容性要求更高的细胞生物学模型制造领域的应用受到限制。王小红[70-77]教授课题组在清华大学器官制造中心积累了丰富的生物3D打印技术研究经验。例如低温沉积制造技术打印合成高分子材料聚氨酯的3D支架结构时，具有细胞毒性的有机溶剂的使用会造成
【参考文献】：
期刊论文
[1]抗血管生成治疗的现状及挑战[J]. 葛菁茹,王伟,何义富. 肿瘤药学. 2019(06)
[2]体外三维细胞培养系统的研究进展[J]. 郭凯宁,陈纯. 海峡药学. 2019(05)
[3]同轴打印双交联海藻酸钠/丝素蛋白血管网络支架[J]. 李宁宁,徐铭恩,索海瑞,王玲. 中国组织工程研究. 2019(18)
[4]生物3D打印高分子材料发展现状与趋势[J]. 毛宏理,顾忠伟. 中国材料进展. 2018(12)
[5]大鼠脂肪干细胞的提取与鉴定[J]. 李志然,马强,马利民. 南通大学学报(医学版). 2019(01)
[6]生物可降解材料及其在生物医学上的应用[J]. 陈桂,杨立宝,关静,张宝祥,蔡海娇,王胜难. 新材料产业. 2018(12)
[7]天然高分子生物材料在新型医用敷料中的应用研究[J]. 张乐,冒玉娟,吴萌,李颖,陈毓,陈巍. 产业与科技论坛. 2018(23)
[8]三维肿瘤球模型应用于肿瘤耐药机制研究进展[J]. 郭雷雷,徐郁蕊,张蕾,董怡文,林舒婷,宁兴海,刘潇璇. 中国药科大学学报. 2018(05)
[9]3D培养技术在细胞培养中的应用[J]. 窦毅鹏. 科技资讯. 2018(03)
[10]丝素蛋白/琼脂糖水凝胶的制备及性能研究[J]. 陈思皓,舒浩,刘祖兰,李智,代方银. 蚕学通讯. 2016(04)
博士论文
[1]带仿生血管网复合肌组织支架与体外组织工程化方法研究[D]. 董贵荣.西安科技大学 2018
硕士论文
[1]PAMPS/PAAM高强度双网络水凝胶的制备及其性能研究[D]. 郭洪梁.大连海事大学 2018
本文编号：3514272
【文章来源】：中国医科大学辽宁省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
D打印的人工“肺泡”与周围血管2012年，宾夕法尼亚大学的ChristopherS.Chen教授等人打印了碳水化合物玻璃刚
中国医科大学硕士学位论文21.2研究现状来自美国华盛顿大学和莱斯大学研究团队的Grigoryan.B，Paulsen.S等人利用3D打印技术建立肺气囊模型[16]，并于2019年5月将其课题组研究成果发表在Science期刊，肺气囊模型图也作为期刊封面被广泛传播（图1.1）。该模型具有与人体血管和气管系统相似的网状结构，并且该网状结构能像肺部血管和气管系统一样向周围血管输送氧气，完成“呼吸”过程[16]。建立模型的主要困难在于建立为组织输送营养的血管网络。为克服这一困难，研究团队通过计算机程序将复杂的3D结构分解为多层2D打印的蓝图，将一种可被特殊光线固化的液态水凝胶作为打影墨水”，依照蓝图分层打印并逐层固化[16]。在层层堆积后，“墨水”固化形成了3D的凝胶结构。研究人员在测试过程中发现：红细胞从这一系统中流过时，能够有效地从呼吸的“肺部”获取氧气，这与肺泡的氧气交换过程一致[16]。该研究为人工制造血管化组织的发展做出了巨大的贡献。图1.13D打印的人工“肺泡”与周围血管2012年，宾夕法尼亚大学的ChristopherS.Chen教授等人打印了碳水化合物玻璃刚性3D丝状网络，并将其作为具有生物相容性、含有活细胞的人工组织模板，生成了可以内含细胞并在高压脉动环境下充血的圆柱形网络[17]。这种简单的血管铸型方法允许独立控制网络的立体结构、内皮化进程以及血管外组织成分，因此它适用于多种细胞类型、多种材料以及不同交联方法。图1.2碳水化合物玻璃材料丝状结构的形成2016年，美国加州大学洛杉矶分校的S.ThomasCarmichael教授课题组与美国杜克
中国医科大学硕士学位论文8图1.3海藻酸钠/明胶双交联互穿网络示意图：（a）海藻酸钠的G区与Ca2+交联示意；（b）明胶被mTG酶催化交联示意；（c）海藻酸钠与明胶在Ca2+和mTG两种交联剂作用下互穿交联示意1.4.2生物3D打印技术3D打印技术在10年前已成为国内讨论热点，经久不衰，甚至众多学者认为该技术的发展将会推动工业4.0时代的到来。3D打印技术已经引发了制造业的变革，在珠宝、建筑、零部件加工、产品设计、航天航空、教育、土木工程、医疗等方面都有广泛应用，在医学整形和修复等领域已凸显出其新颖性和创造性，在组织工程与再生医学方面的器官制造技术上，3D打印多次刷新纪录[69-77]。国内外学者们将生物材料科学和干细胞技术融汇结合后开发出各种“生物墨水”，利用3D打印技术制备了模拟人体组织和器官的生物学前体，例如人工打印的心肌组织、肝组织、血管化脂肪组织、软骨、骨、皮肤等等，为人类的组织和（或）器官的修复和再生带来了希望[70-77]。广义的3D打印技术在生物3D组装领域存在多个发展方向，如熔融沉积技术、低温沉积制造、类3D喷墨技术、光敏固化、液体3D打印技术或微滴技术的3D排列等[70-77]，开发这些技术的重要目的之一都是在体外构建适用于临床或非临床医疗领域的人工组织和（或）器官。虽然3D打印技术具备机械工程技术领域的高精密度和高自动化程度，但是在很多情况下更适用于生物相容性较差的合成高分子材料，使该技术在生物相容性要求更高的细胞生物学模型制造领域的应用受到限制。王小红[70-77]教授课题组在清华大学器官制造中心积累了丰富的生物3D打印技术研究经验。例如低温沉积制造技术打印合成高分子材料聚氨酯的3D支架结构时，具有细胞毒性的有机溶剂的使用会造成
【参考文献】：
期刊论文
[1]抗血管生成治疗的现状及挑战[J]. 葛菁茹,王伟,何义富. 肿瘤药学. 2019(06)
[2]体外三维细胞培养系统的研究进展[J]. 郭凯宁,陈纯. 海峡药学. 2019(05)
[3]同轴打印双交联海藻酸钠/丝素蛋白血管网络支架[J]. 李宁宁,徐铭恩,索海瑞,王玲. 中国组织工程研究. 2019(18)
[4]生物3D打印高分子材料发展现状与趋势[J]. 毛宏理,顾忠伟. 中国材料进展. 2018(12)
[5]大鼠脂肪干细胞的提取与鉴定[J]. 李志然,马强,马利民. 南通大学学报(医学版). 2019(01)
[6]生物可降解材料及其在生物医学上的应用[J]. 陈桂,杨立宝,关静,张宝祥,蔡海娇,王胜难. 新材料产业. 2018(12)
[7]天然高分子生物材料在新型医用敷料中的应用研究[J]. 张乐,冒玉娟,吴萌,李颖,陈毓,陈巍. 产业与科技论坛. 2018(23)
[8]三维肿瘤球模型应用于肿瘤耐药机制研究进展[J]. 郭雷雷,徐郁蕊,张蕾,董怡文,林舒婷,宁兴海,刘潇璇. 中国药科大学学报. 2018(05)
[9]3D培养技术在细胞培养中的应用[J]. 窦毅鹏. 科技资讯. 2018(03)
[10]丝素蛋白/琼脂糖水凝胶的制备及性能研究[J]. 陈思皓,舒浩,刘祖兰,李智,代方银. 蚕学通讯. 2016(04)
博士论文
[1]带仿生血管网复合肌组织支架与体外组织工程化方法研究[D]. 董贵荣.西安科技大学 2018
硕士论文
[1]PAMPS/PAAM高强度双网络水凝胶的制备及其性能研究[D]. 郭洪梁.大连海事大学 2018
本文编号：3514272
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