發(fā)布時間：2017-08-11 04:24

  本文關(guān)鍵詞：醫(yī)用聚合物組織工程支架的制備方法及其結(jié)構(gòu)性能研究

  更多相關(guān)文章： 組織工程支架 微孔注射成型 靜電紡絲 熱致相分離 支架結(jié)構(gòu)性能

【摘要】：組織工程支架是組織工程學(xué)中的一個重要組成部分。在組織工程中,支架能夠暫時性地替代自體受損組織為細(xì)胞和再生的組織提供載體,并以一定的機(jī)械強(qiáng)度來維持人體正常的生命活動。怎樣制備符合人體不同組織需求的理想支架一直是組織工程學(xué)研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在本博士學(xué)位論文中對微孔注射成型法、靜電紡絲法、熱致相分離法三種不同的組織工程支架制備方法進(jìn)行了深入研究,通過對支架制備工藝過程的控制和改進(jìn)以及對材料配方的組合優(yōu)化,來精確地調(diào)控制備支架的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能,以獲得具有高孔隙率、良好泡孔連通性、理想機(jī)械性能和表面性能、適合細(xì)胞生長繁殖的三維多孔支架。進(jìn)一步采用自制模具結(jié)合不同工藝制備了能夠模擬人體血管結(jié)構(gòu)的小直徑三層血管支架。微孔注射成型能夠批量化生產(chǎn)聚合物多孔支架,在基于該技術(shù)的研究中通過正交試驗(yàn)分析了不同工藝條件對支架泡孔結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)加工溫度與二氧化碳(CO2)含量對制備的熱塑性聚氨酯(TPU)多孔支架的結(jié)構(gòu)形態(tài)具有較大的影響。在發(fā)泡過程中使用水和CO2作為共同發(fā)泡劑能夠制備無皮層結(jié)構(gòu)的TPU支架且支架的泡孔尺寸更加均一、發(fā)泡面積更大。通過將軟質(zhì)與硬質(zhì)TPU進(jìn)行熔融共混以及微孔注射成型獲得的發(fā)泡材料具有不同微觀泡孔結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能;該方法同樣適用于高韌性的TPU與高強(qiáng)度的聚乳酸(PLA)體系,研究發(fā)現(xiàn)制備的TPU/PLA多孔支架能夠滿足多種組織修復(fù)的機(jī)械性能要求。在TPU基體內(nèi)引入水溶性鹽和聚乙烯醇(PVOH)作為致孔劑并結(jié)合粒子瀝濾法可以提高制備支架的孔隙率和泡孔連通性、改善支架的細(xì)胞相容性。采用聚己內(nèi)酯(PCL)/納米纖維素晶體(CNC)復(fù)合材料進(jìn)行微孔注射成型,由于CNC的增強(qiáng)及成核作用,獲得支架的泡孔密度高、均一性好,且拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別提升了71%和510%。靜電紡絲法獲得的纖維支架結(jié)構(gòu)與人體細(xì)胞外基質(zhì)相似且與細(xì)胞相互作用較強(qiáng),在該方面研究中首先進(jìn)行了TPU溶液的纖維形成機(jī)理研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶液濃度高于2倍臨界鏈纏結(jié)濃度(Ce)時紡絲可形成均一的無珠粒纖維,通過控制溶液中軟段和硬段的比例能夠調(diào)節(jié)支架的性能,從而影響細(xì)胞行為。其次,在TPU/羥基磷灰石(HA)復(fù)合材料纖維支架的研究中發(fā)現(xiàn)納米級HA的分散性優(yōu)于微米級HA,且人體間充質(zhì)干細(xì)胞在含有納米HA的纖維支架上的生長狀態(tài)更好、分化程度更高。最后,研究中采用自制的纖維收集裝置制備了高度單向取向和正交取向的TPU纖維支架,并通過在溶液中加入提高溶液導(dǎo)電性的納米碳管(CNT)和聚丙烯酸(PAA)極大地提高了紡絲纖維的取向度,而且發(fā)現(xiàn)小鼠纖維細(xì)胞在具有取向結(jié)構(gòu)的纖維上的繁殖能力、遷移速率和遷移距離都較高,且細(xì)胞趨向于沿纖維取向方向生長。熱致相分離法能夠制備孔隙率高、泡孔連通性好的三維多孔支架,在該方面研究中選用了多種溶劑體系和致孔劑來制備具有不同結(jié)構(gòu)和功能的支架,結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用二惡烷作為溶劑制備的支架為梯狀泡孔結(jié)構(gòu),而使用水和二惡烷的混合溶劑制備的支架具有高連通性的圓形泡孔結(jié)構(gòu),且該結(jié)構(gòu)支架的機(jī)械性能更強(qiáng),而加入鹽粒子作為致孔劑獲得的支架孔隙率高達(dá)93%。在支架中添加HA能夠起到良好的增強(qiáng)效果,而且含有納米級HA的支架具有良好的仿生礦化能力,能夠在模擬人體體液(SBF)中誘導(dǎo)形成類骨組織的磷灰石。采用二甲基亞砜(DMSO)作為溶劑同樣能制備TPU多孔支架,加入納米碳管(CNT)和納米原纖化纖維素(NFC)能夠有效改善支架的機(jī)械性能,細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明制備的復(fù)合材料支架均具有良好的細(xì)胞相容性。在多種支架制備工藝研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合靜電紡絲、蠶絲編織和熱致相分離法,使用自制模具開發(fā)了小直徑多層血管支架制備新方法。通過靜電紡絲法和熱致相分離法的交替使用制備了同時具有TPU纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和聚碳酸亞丙酯(PPC)三維泡孔結(jié)構(gòu)的多層血管支架。進(jìn)一步使用編織蠶絲作為中間層可制備獲得“內(nèi)層為紡絲纖維結(jié)構(gòu)、中間層為蠶絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、外層為三維泡孔結(jié)構(gòu)”的三層血管支架,該支架的性能滿足移植手術(shù)和血液流動的要求,并且能夠促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞在支架內(nèi)表面的粘附生長,起到防止血栓和凝血形成的作用。
【關(guān)鍵詞】：組織工程支架 微孔注射成型 靜電紡絲 熱致相分離 支架結(jié)構(gòu)性能
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R318.08;TQ342.87
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 物理量名稱及符號15-16
• 第一章 緒論16-36
• 1.1 組織工程學(xué)及組織工程支架16-18
• 1.1.1 組織工程的定義16-17
• 1.1.2 組織工程過程基本要素17-18
• 1.1.3 組織工程支架的植入18
• 1.2 理想組織工程支架的要求18-21
• 1.2.1 支架的微觀結(jié)構(gòu)19
• 1.2.2 支架的表面性能19-20
• 1.2.3 支架的機(jī)械性能20-21
• 1.3 組織工程支架的常用材料21-25
• 1.3.1 天然材料21-23
• 1.3.2 合成高分子材料23-25
• 1.4 組織工程支架的常用制備方法25-31
• 1.4.1 溶劑法制備25-29
• 1.4.2 非溶劑法制備29-31
• 1.5 血管組織工程支架概況31-33
• 1.5.1 血管組織工程支架的要求31-32
• 1.5.2 血管組織工程支架的常用制備方法32-33
• 1.6 本論文的研究目的、意義及研究內(nèi)容33-35
• 1.6.1 本論文的研究目的及研究意義34
• 1.6.2 本論文的研究內(nèi)容34-35
• 1.7 本章小結(jié)35-36
• 第二章 微孔注射成型法制備三維多孔支架的研究36-108
• 2.1 工藝參數(shù)對TPU支架形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響37-48
• 2.1.1 概述37-39
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)部分39-42
• 2.1.3 正交試驗(yàn)結(jié)果42-44
• 2.1.4 數(shù)據(jù)擬合分析44-47
• 2.1.5 Moldex3D模擬驗(yàn)證47-48
• 2.1.6 結(jié)論48
• 2.2 使用水和CO2 混合發(fā)泡劑制備TPU多孔支架48-59
• 2.2.1 概述48-49
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)部分49-51
• 2.2.3 樣品形態(tài)結(jié)構(gòu)分析51-53
• 2.2.4 樣品拉伸性能與熱性能53-54
• 2.2.5 紅外光譜、熱重、分子量分析及細(xì)胞毒性54-56
• 2.2.6 泡孔形成原理分析56-59
• 2.2.7 結(jié)論59
• 2.3 TPU支架泡孔形態(tài)及機(jī)械性能的調(diào)控研究59-71
• 2.3.1 概述59-60
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)部分60-62
• 2.3.3 TPU成分及其相容性62-65
• 2.3.4 TPU支架的泡孔形態(tài)結(jié)構(gòu)65-66
• 2.3.5 TPU支架的機(jī)械性能66-69
• 2.3.6 TPU支架的降解性能及細(xì)胞相容性69-71
• 2.3.7 結(jié)論71
• 2.4 TPU/PLA多孔支架的制備與性能研究71-81
• 2.4.1 概述71-72
• 2.4.2 實(shí)驗(yàn)部分72-74
• 2.4.3 TPU與PLA的相容性分析74-76
• 2.4.4 TPU/PLA支架的結(jié)構(gòu)形態(tài)76-78
• 2.4.5 TPU/PLA支架的機(jī)械性能78-79
• 2.4.6 TPU/PLA支架的細(xì)胞相容性79-81
• 2.4.7 結(jié)論81
• 2.5 微孔注射成型/粒子瀝濾法制備TPU多孔支架81-93
• 2.5.1 概述81-82
• 2.5.2 實(shí)驗(yàn)部分82-84
• 2.5.3 TPU與PVOH的相容性分析84-86
• 2.5.4 工藝參數(shù)對支架泡孔形態(tài)的影響86-89
• 2.5.5 瀝濾效果及支架親水性分析89-91
• 2.5.6 TPU支架的細(xì)胞相容性91-93
• 2.5.7 結(jié)論93
• 2.6 PCL/CNC復(fù)合材料多孔支架的制備及性能研究93-106
• 2.6.1 概述93-94
• 2.6.2 實(shí)驗(yàn)部分94-97
• 2.6.3 PCL與PCL/CNC納米復(fù)合材料的成分表征97-99
• 2.6.4 發(fā)泡樣品的泡孔形態(tài)99-101
• 2.6.5 PCL/CNC復(fù)合材料的拉伸性能和流變性能101-102
• 2.6.6 PCL/CNC復(fù)合材料的的熱性能和結(jié)晶性能102-105
• 2.6.7 PCL/CNC支架的細(xì)胞相容性105-106
• 2.6.8 結(jié)論106
• 2.7 本章小結(jié)106-108
• 第三章 靜電紡絲法制備聚氨酯基纖維支架的研究108-162
• 3.1 TPU溶液流變性能及纖維形成機(jī)理108-121
• 3.1.1 概述108-109
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)部分109-111
• 3.1.3 TPU紡絲纖維成分分析111-113
• 3.1.4 TPU溶液的流變性能分析113-117
• 3.1.5 TPU紡絲纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)117-119
• 3.1.6 TPU纖維形成機(jī)理分析119-121
• 3.1.7 結(jié)論121
• 3.2 TPU纖維支架的性能及細(xì)胞相容性研究121-131
• 3.2.1 概述121-122
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)部分122-124
• 3.2.3 支架材料成分分析124-125
• 3.2.4 制備支架的熱性能、潤濕性及蛋白質(zhì)吸附性125-127
• 3.2.5 支架性能對細(xì)胞生長行為的影響127-131
• 3.2.6 結(jié)論131
• 3.3 TPU/HA復(fù)合纖維支架的制備及干細(xì)胞的分化行為131-142
• 3.3.1 概述131-132
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)部分132-134
• 3.3.3 TPU/HA纖維支架成分分析134-136
• 3.3.4 TPU/HA纖維支架形態(tài)及HA分布136-139
• 3.3.5 TPU/HA纖維支架的機(jī)械性能及親水性139-140
• 3.3.6 干細(xì)胞在TPU/HA纖維支架上的分化行為140-142
• 3.3.7 結(jié)論142
• 3.4 TPU基取向纖維支架的制備及溶液性質(zhì)對取向度的影響142-152
• 3.4.1 概述142-144
• 3.4.2 實(shí)驗(yàn)部分144-146
• 3.4.3 紡絲溶液性質(zhì)及支架成分分析146-149
• 3.4.4 平行取向和正交取向支架形態(tài)分析149-151
• 3.4.5 結(jié)論151-152
• 3.5 小鼠纖維細(xì)胞在取向纖維支架上的生長遷移行為152-161
• 3.5.1 概述152
• 3.5.2 實(shí)驗(yàn)部分152-154
• 3.5.3 小鼠纖維細(xì)胞形態(tài)及生長狀況154-158
• 3.5.4 小鼠纖維細(xì)胞遷移行為158-160
• 3.5.5 結(jié)論160-161
• 3.6 本章小結(jié)161-162
• 第四章 熱致相分離法制備聚氨酯復(fù)合材料三維多孔支架的研究162-192
• 4.1 TPU/HA骨組織工程支架的制備研究163-171
• 4.1.1 概述163-164
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)部分164-165
• 4.1.3 TPU/HA支架的成分及泡孔形態(tài)165-169
• 4.1.4 TPU/HA支架的機(jī)械性能分析169-170
• 4.1.5 小結(jié)170-171
• 4.2 TPU/HA支架的仿生礦化性能及細(xì)胞相容性研究171-180
• 4.2.1 概述171
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)部分171-173
• 4.2.3 TPU/HA支架的仿生礦化性能173-178
• 4.2.4 TPU/HA支架的細(xì)胞相容性178-179
• 4.2.5 結(jié)論179-180
• 4.3 TPU/CNT與TPU/NFC支架的制備研究180-190
• 4.3.1 概述180-181
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)部分181-184
• 4.3.3 TPU/CNT與TPU/NFC支架成分及熱性能分析184-186
• 4.3.4 TPU/CNT與TPU/NFC支架的泡孔形態(tài)186-188
• 4.3.5 TPU/CNT與TPU/NFC支架的機(jī)械性能及細(xì)胞相容性188-190
• 4.3.6 結(jié)論190
• 4.4 本章小結(jié)190-192
• 第五章 小直徑三層結(jié)構(gòu)血管支架的制備研究192-211
• 5.1 靜電紡絲與熱致相分離法交替使用制備血管支架193-204
• 5.1.1 概述193-194
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)部分194-197
• 5.1.3 血管支架的形態(tài)結(jié)構(gòu)197-200
• 5.1.4 血管支架的機(jī)械性能200-202
• 5.1.5 血管支架的細(xì)胞相容性202-203
• 5.1.6 結(jié)論203-204
• 5.2 靜電紡絲，，蠶絲編織與相分離法結(jié)合制備三層結(jié)構(gòu)血管支架204-209
• 5.2.1 概述204
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)部分204-206
• 5.2.3 三層血管支架的形態(tài)結(jié)構(gòu)206-207
• 5.2.4 三層血管支架的機(jī)械性能207-208
• 5.2.5 三層血管支架的血管內(nèi)皮細(xì)胞相容性208-209
• 5.2.6 結(jié)論209
• 5.3 本章小結(jié)209-211
• 結(jié)論211-213
• 參考文獻(xiàn)213-235
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果235-240
• 致謝240-241
• 附件241

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 鄧愛華;陳愛政;王士斌;王明宗;;超臨界CO_2輔助工藝制備三維組織工程支架的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報;2014年07期

2 何鳳利;何進(jìn);尹大川;;靜電紡絲制備組織工程支架的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報;2014年23期

3 方麗茹,翁文劍,沈鴿,韓高榮,Santos JD;骨組織工程支架及生物材料研究[J];生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志;2003年01期

本文編號：654230