本文選題：增材制造 + 生物打印�。� 參考：《浙江大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：生物打印,又稱細(xì)胞打印或器官打印,是組織工程領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的一種新技術(shù)。其基本原理是將細(xì)胞混合生物材料制成生物墨水,作為打印的原材料,根據(jù)器官模型數(shù)據(jù),利用三維打印技術(shù)定向控制細(xì)胞沉積,層層累積制造成接近于真實器官結(jié)構(gòu)的活性組織器官模型。相比于傳統(tǒng)的基于支架的組織工程方法,生物打印具有可以制造出復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)、沉積不同類型細(xì)胞、構(gòu)造細(xì)胞梯度環(huán)境等優(yōu)點。由于打印后的結(jié)構(gòu)需要在體外培養(yǎng),意味著凝膠結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞必須要能被充分灌注,以滿足生長因子、氧氣以及其他營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)。因此,在打印成型的組織結(jié)構(gòu)內(nèi)構(gòu)造用于輸送營養(yǎng)的流道網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵步驟,也是生物打印能否被深入應(yīng)用的一個挑戰(zhàn)。本文基于海藻酸鈉凝膠的交聯(lián)特性,利用生物打印方法中的擠出成型工藝,提出了凝膠基流道網(wǎng)絡(luò)的制造方法,并將其應(yīng)用于跨尺度血管結(jié)構(gòu)的制造。本文的主要研究內(nèi)容和成果包括:(1)基于海藻酸鈉和氯化鈣“反向滴加法”的交聯(lián)方式,設(shè)計了可裝配的同軸噴頭,讓氯化鈣在海藻酸鈉的內(nèi)部與之交聯(lián),利用同軸擠出工藝一次成型出中空凝膠纖維。首先根據(jù)該方法的工藝流程搭建了同軸噴頭輔助的凝膠管道打印裝置;然后系統(tǒng)地研究了打印過程參數(shù)對凝膠管道尺寸的影響規(guī)律;并利用小分子染料、綠色熒光蛋白、牛血清蛋白對凝膠管道進(jìn)行了滲透性實驗,結(jié)果表明凝膠管具有滲透性,有潛力應(yīng)用于營養(yǎng)輸送;最后直接打印小鼠成纖維細(xì)胞,細(xì)胞在凝膠管道中呈三維球形生長。(2)基于海藻酸鈉和氯化鈣漸進(jìn)交聯(lián)的反應(yīng)特性,提出了組織/營養(yǎng)通道同步構(gòu)造的生物打印新工藝。該方法通過控制海藻酸鈉和氯化鈣的交聯(lián)時序讓相鄰的中空凝膠纖維融合,實現(xiàn)凝膠支架結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流道網(wǎng)絡(luò)的同時成型。搭建了基于該方法的新型生物打印系統(tǒng),通過大量的工藝實驗,解決了凝膠融合工藝,證明了融合后的凝膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足器官打印的要求,后續(xù)的細(xì)胞培養(yǎng)顯示打印的營養(yǎng)通道能有效提高細(xì)胞的長期存活率。由于該方法能在打印組織結(jié)構(gòu)的同時打印出內(nèi)部的營養(yǎng)輸送通道,使得大尺寸器官3D打印成為可能。本方法還可直接應(yīng)用于器官芯片、凝膠基微流控芯片、藥物篩選芯片等領(lǐng)域。(3)常規(guī)血管由成纖維、平滑肌、內(nèi)皮細(xì)胞依次構(gòu)成,同時血管內(nèi)部還包含有微細(xì)的滋養(yǎng)血管用于營養(yǎng)輸送。為了對血管結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生,提出了一種具有宏微跨尺度流道的血管結(jié)構(gòu)及其制造方法,其中宏觀流道可用于機(jī)械加載,微觀流道可用于營養(yǎng)輸送和化學(xué)加載,這種結(jié)構(gòu)可以集成到器官芯片裝置上,來更好的模擬真實血管的微環(huán)境。利用上述組織/營養(yǎng)通道同步構(gòu)造的生物打印工藝,將未完全反應(yīng)的中空凝膠纖維繞一個回轉(zhuǎn)體模板進(jìn)行打印,去除模板后,中空凝膠纖維內(nèi)部的微管道及模板的宏管道構(gòu)成帶有宏微二級尺度的血管結(jié)構(gòu)。將平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞逐層打印,并將內(nèi)皮細(xì)胞種植在所打印的血管內(nèi)壁上即可獲得跨尺度血管結(jié)構(gòu)。本方法證明了制造出的血管結(jié)構(gòu)能夠滿足后續(xù)機(jī)械加載的要求,血管結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞在培養(yǎng)一周后的活性超過90%。另外,為了演示其在組織工程領(lǐng)域的潛在應(yīng)用,我們利用這種血管結(jié)構(gòu)制造了血管循環(huán)流動模型、動脈手術(shù)模擬器以及細(xì)胞共培養(yǎng)模型。(4)上述方法制造出的跨尺度血管主要用于心血管疾病的致病機(jī)理的體外研究,由于采用的是水凝膠材料,強(qiáng)度無法滿足動物實驗的長期灌注要求。為此,我們把支架制造和生物打印結(jié)合起來,提出了一種跨尺度細(xì)胞支架的制造方法。首先基于FDM的打印工藝制造出了微米尺度的支架,既保證了整個結(jié)構(gòu)的外形,又提供了強(qiáng)度支撐;然后利用靜電紡絲技術(shù)制造出了納米尺度的支架,營造了適合細(xì)胞生長的納米環(huán)境;接著利用生物打印技術(shù)可控定向沉積細(xì)胞,既營造了細(xì)胞的三維培養(yǎng)環(huán)境,同時利用海藻酸鈉/明膠二次交聯(lián)的方法層層組裝支架形成三維結(jié)構(gòu)。細(xì)胞培養(yǎng)實驗表明,細(xì)胞在跨尺度支架內(nèi)的三維培養(yǎng),增殖能力較強(qiáng),且形態(tài)逐漸從球形轉(zhuǎn)變成伸展?fàn)顟B(tài)。最后利用該方法制造出了高強(qiáng)度的分支血管結(jié)構(gòu),有潛力用于動物實驗。
[Abstract]:A novel biological printing system based on sodium alginate and calcium chloride is designed . The invention provides a vascular structure with a macro - micro - scale flow channel and a method for manufacturing the same , wherein the macroscopic flow channel can be used for mechanical loading , the micro - flow channel can be used for nutrition delivery and chemical loading ,
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.73;R318.08

【參考文獻(xiàn)】

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2 孫雪;奚廷斐;;生物材料和再生醫(yī)學(xué)的進(jìn)展[J];中國修復(fù)重建外科雜志;2006年02期

3 張琨;林松;李敬安;張志斌;;藥物控釋用海藻酸鈉、殼聚糖、明膠的研究進(jìn)展[J];國際生物醫(yī)學(xué)工程雜志;2008年04期

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1 何淑蘭;可降解海藻酸鹽水凝膠的研究[D];天津大學(xué);2005年

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本文編號：2099770