基于光学相干层析的三维生物打印水凝胶优化控制研究

发布时间：2017-06-26 14:11

  本文关键词：基于光学相干层析的三维生物打印水凝胶优化控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为组织工程的重要组成部分,支架为细胞生长提供了必要的空间和环境,其化学组成和物理结构能够影响细胞的活动,如细胞的粘附、迁移、增殖和分化等。水凝胶具有良好的生物相容性、可降解性、亲水性以及包裹细胞的强大能力,这使得水凝胶被广泛应用于构建组织工程支架。三维生物打印(3D Bio-printing)技术可以无毒且方便地按照预先设计几何结构制备出完全连通的三维结构,已成为制造可以细胞接种或细胞封装的生物支架的良好工具。水凝胶和3D Bio-printing技术的结合为开发可细胞接种/封装的组织工程支架提供了一种设计关联的可控解决方案。基于三维生物打印技术定制支架的内部多孔结构一般是为了满足几何、机械、流体运输等特性,但因水凝胶的固有特性,直接三维打印出与预期形态匹配的定制多孔结构仍然存在困难。当前研究证实了打印出的结构与设计的结构在形态参数上存在显著差异,这些差异严重影响了水凝胶支架的实际应用,因此研究如何制造出与预期形态参数尽量匹配的定制结构具有重要意义。为此,本文提出一种优化水凝胶支架三维生物打印稳定性和可控性的方法,该方法首先实现三维打印水凝胶支架结构的定量表征,基于表征结果反馈支架设计和打印,然后通过迭代的方法降低设计与打印支架间的形态差异,提高水凝胶支架三维制造的稳定性和可控性。该方法的关键在于如何实现三维生物打印水凝胶支架的非侵入高分辨在线定量表征,本文提出基于光学相干层析(optical coherence tomography,OCT)成像的方法实现三维生物打印水凝胶支架的在线定量表征。基于光学相干层析的水凝胶支架三维生物打印优化控制的方法具体如下:第一次闭环称之为为“实验”组,用来评价水凝胶三维打印过程的内在可控性,设计和打印不同孔隙尺寸的水凝胶支架,采用实验室自制的扫频OCT系统对打印的水凝胶支架进行成像和结构定量表征,包括孔隙大小,实体支撑尺寸,孔隙率,支架表面积和体积,并与原始设计参数做比较。第二次闭环称之为“生产”组,以第一步分析的结构差异性为输入,结合差异相关分析和三维打印工艺过程优化,按照新的参数设置再次打印水凝胶以降低实体与设计模型间的不一致。研究结果显示,该方法可有效降低水凝胶支架平均孔尺寸的不一致,从30%降低到2%,表明基于OCT技术预测和精准控制水凝胶支架的三维生物打印是可行的。本文的研究同时证明OCT技术可以为组织工程支架设计与表征、生物三维打印过程控制、工程组织体外监测等提供具有潜力的精准化工具。
【关键词】：生物医学光学 光学相干层析成像(OCT) 三维生物打印 水凝胶支架 定量优化
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 引言10
• 1.2 生物 3D打印技术10-13
• 1.2.1 生物 3D打印技术概述10-11
• 1.2.2 现有生物 3D打印方法11-13
• 1.3 适合生物 3D打印的生物材料13-15
• 1.3.1 适合生物 3D打印生物材料概述13-14
• 1.3.2 水凝胶14
• 1.3.3 生物 3D打印水凝胶支架的优势与限制14-15
• 1.4 支架定量表征技术15-18
• 1.4.1 支架常用定量表征技术15-16
• 1.4.2 基于OCT的定量表征技术16-18
• 1.5 研究目的和内容18-21
• 1.5.1 研究目的与意义18-19
• 1.5.2 研究内容19-20
• 1.5.3 主要创新点20-21
• 第2章 生物 3D打印水凝胶支架几何可控性优化方法21-32
• 2.1 优化方法提出背景及概述21-22
• 2.2 基于OCT的水凝胶支架定量表征方法22-30
• 2.2.1 体绘制三维重建23-25
• 2.2.2 en-face面序列图提取25-26
• 2.2.3 图像预处理26
• 2.2.4 图像滤波26-27
• 2.2.5 二值化处理27-28
• 2.2.6 形态学操作28-30
• 2.2.7 二值化三维重建30
• 2.3 基于迭代分析提高稳定性和可控性的方法30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 生物 3D打印水凝胶支架优化控制的实验研究32-40
• 3.1 三维水凝胶支架的设计和制备32-36
• 3.1.1 多孔水凝胶支架的设计32-34
• 3.1.2 多孔水凝胶支架的制备34-36
• 3.2 OCT成像36-38
• 3.2.1 OCT图像采集36-37
• 3.2.2 OCT成像结果展示37-38
• 3.3 支架结构参数量化分析38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 结果与讨论40-48
• 4.1 水凝胶支架打印的结果与分析40-44
• 4.1.1 支架的打印与成像40-41
• 4.1.2 支架形态参数定量表征41-42
• 4.1.3 量化结果差异分析42-44
• 4.2 水凝胶支架的打印精度和可控性分析44-45
• 4.3 水凝胶支架结构参数的反馈调整45-47
• 4.3.1 支架的打印与成像45-46
• 4.3.2 支架形态参数定量表征及分析46-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 结论与展望48-49
• 致谢49-50
• 参考文献50-53
• 附录53

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本文编号：486414