【摘要】：明膠(Gelatin,GEL),既具有膠原蛋白(COL)所具有的生物相容性優(yōu)勢,又具有無抗原性、價格低廉、來源廣泛等優(yōu)點,因而成為一種可用于生物3D打印組織工程皮膚支架的潛在材料。但較差的力學性能限制了它的應用。通過將纖維素納米纖晶須(Cellulose nanocrystals,CNC)填入明膠中可提高明膠的力學性能。本課題系統(tǒng)地研究了 CNC/GEL復合凝膠作為組織工程皮膚支架材料的可行性及通過生物3D打印組織工程皮膚支架的可打印性,取得了一些具有創(chuàng)新意義的成果:(1)通過硫酸水解法從凬草莖(Humulus japonicus stems,HJS)、玉米殼(Corn husk,CH)和小麥秸稈(Wheat straw,WS)中提取CNC。通過硫酸水解聯(lián)合高溫高壓(HT)預處理法從Bleached HJS中提取HT-CNC。通過SEM、TEM、FITR、XRD、TGA等測試方法對樣品性能進行了表征,研究了 HT預處理對于CNC性能的影響。研究結果表明:相比CH和WS,HJS是一種更為優(yōu)質的CNC提取源。HT預處理過程中,HT-HJS發(fā)生了更充分地潤脹,且氫鍵發(fā)生了重組,使得纖維內(nèi)部分子排列有序性提高。酸水解過程中,HT-HJS橫向的充分潤脹有利于H+沿橫向擴散速率的提高;氫鍵重組有利于沿纖維素分子鏈方向一致的縱向上結晶度的提高。最終得到了高長徑比(63.40)、高結晶度(83.34%)的HT140-CNC,遠高于未經(jīng)HT預處理而直接提取的CNC的長徑比(32.00)和結晶度(70.50%)。(2)分別使用兩種長徑比不同的CNC制備CNC/GEL復合凝膠,通過壓縮實驗和壓痕試驗對復合凝膠的彈性模量和斷裂韌性進行了測量,研究了 CNC長徑比及含量對復合凝膠力學性能的影響,建立了復合凝膠彈性模量和斷裂韌性的預測模型。研究結果表明:高長徑比的CNC可以更加顯著的改善復合凝膠的彈性模量和斷裂韌性。當CNC填充量達到10%時,CNC/GEL的彈性模量和斷裂韌性達到了最大值,是單一GEL彈性模量的8.90倍,斷裂韌性的8.31倍;當CNC含量大于10%時,GEL基體中的CNC發(fā)生了團聚,CNC/GEL的彈性模量和斷裂韌性開始下降。通過對比與分析,分別對COX model和Jintegrai model進行了修正,修正后的模型對于CNC/GEL彈性模量預測的誤差值在±2%以內(nèi),斷裂韌性預測的誤差值在±6%以內(nèi),明顯優(yōu)于原模型。(3)通過SEM、XRD、FTIR、DSC、溶脹率等表征方法對10%-CNC/GEL-5作為皮膚支架材料的化學穩(wěn)定性進行分析;通過光學顯微鏡及SEM顯微鏡觀察,CCK-8、Live/dead細胞染色的方法對10%-CNC/GEL-5作為皮膚支架材料的生物相容性進行分析。研究結果表明:相比GEL-5凝膠,10%-CNC/GEL-5復合凝膠的微觀結構更加緊湊有序,穩(wěn)定性也明顯地更好。10%-CNC/GEL-5經(jīng)交聯(lián)處理后穩(wěn)定性進一步增強,在37℃PBS溶液中可達到潤脹平衡而不會溶解。生物實驗結果證實交聯(lián)處理后的10%-CNC/GEL-5仍具有良好的生物相容性。因此,10%-CNC/GEL-5滿足作為皮膚支架材料的化學穩(wěn)定性和生物相容性要求。(4)建立了 CNC/GEL水凝膠的流變特性理論模型,使用流變儀對水凝膠的流變參數(shù)進行了測量,并通過Fluent仿真的方法模擬了水凝膠在料筒內(nèi)的擠出過程。理論模型表明水凝膠在噴頭內(nèi)流動受到剪切應力作用時發(fā)生“剪切變稀”,且在料筒和噴頭的圓形截面上,剪切應力和速度沿直徑方向成非線性分布。流變測試結果驗證了CNC/GEL復合凝膠具有理論模型中的“剪切變稀”和粘度恢復”特性。Fluent仿真進一步證明了在料筒和噴頭的圓形截面上,剪切應力和速度沿直徑方向成非線性分布,且纖維在擠出噴頭時會伴隨著“擠出脹大”現(xiàn)象。三種不同的方式統(tǒng)一驗證了 CNC/GEL具有可打印性。(5)通過3D打印實驗,驗證CNC/GEL水凝膠的可打印性,分析了 3D打印過程中支架的成型機理,及打印參數(shù)對成型效果的影響。研究結果表明:“剪切稀化”使得水凝膠可以順利流出噴頭,“擠出脹大”使得擠出纖維的實際寬度大于噴頭直徑,“粘度恢復”使得打印完成后的支架能夠穩(wěn)定成型,粘度恢復時間為30 s。打印壓力、打印溫度、噴頭直徑等工藝參數(shù)的變化會引起水凝膠在料筒內(nèi)部的“剪切稀化”和“擠出脹大”的量變,從而影響到擠出纖維的實際成型效果。CNC加入后水凝膠內(nèi)部分子之間的相互作用力增強,水凝膠的粘度和模量提高,抵抗變形能力增強,有利于改善支架的成型效果。10%-CNC/GEL-5復合凝膠具有最高的彈性模量,10%-CNC/GEL-5支架也表現(xiàn)出最好的強度和抗變形能力。
【圖文】：

皮膚是人體面積最大的器官，約１．２？２．０ｍ２，主要起著分泌排泄、調節(jié)人體溫度、抗逡逑御細菌浸入、避免脫水等重要作用［１］。健康皮膚具有復雜的結構和活躍的新陳代謝功能，逡逑由表皮層、真皮層和皮下組織三個部分構成，如圖１－１所示。在日常生活中，由于潰瘍、逡逑燒傷、手術及先天性畸形等造成皮膚缺損與異常，給患者帶來了巨大的心理壓力及生活上逡逑的嚴重不便。對于任何直徑大于４ｃｍ的全層皮膚缺損，人體都無法通過自身來完全愈合。逡逑為了避免創(chuàng)面處營養(yǎng)流失及細菌感染１２］，臨床上通常用使用暫時性或永久性的皮膚替代品逡逑來覆蓋損傷處。皮膚損傷修復治療已經(jīng)成為了一項全球性的公共衛(wèi)生問題，由于免疫排斥逡逑及疾病傳播等隱患的存在，臨床上對皮膚替代物的要求越來越高。目前，臨床上對于皮膚逡逑缺損的治療方式分為三種：（１）自體皮膚移植；（２）異體皮膚移植；（３）異種皮膚或其它皮膚替逡逑代品移植。由于人體自身可用于移植的皮膚組織面積非常有限，而異體或異種皮膚組織移逡逑植又受到社會道德及衛(wèi)生安全方面的限制。因而，傳統(tǒng)的修復方法用于大面積皮膚損傷糸逡逑療時非常受限。逡逑組織工程技術的發(fā)展為皮膚修復提出了新的技術方案。組織工程皮膚將在體外培養(yǎng)、逡逑繁殖的大量功能細胞混合到可以被人體降解并吸收的生物支架上形成細胞與生物材料ｆ逡逑復合體

逡逑目前，生物３Ｄ打印技術按照原理主要分為如下三種（如圖１－２所示）。噴墨生物打印逡逑（Ｉｎｋｊｅｔ邋ｂｉｏ－ｐｒｉｎｔｉｎｇ）：依靠壓力、聲波使生物質材料滴落成型；激光生物打�。ǎ蹋幔螅澹蝈澹猓椋铮义希穑颍椋睿簦椋睿纾哄鍖⒁皇す馔高^透明基體聚焦在固體薄膜上，邋使一小部分固體薄膜加熱至熔融狀逡逑態(tài)并凝結在接收基片上；擠出沉積生物打印技術（Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ邋ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｂｉｏ－ｐｒｉｎｔｉｎｇ嚴＇２４］：通逡逑過電機驅動噴頭，，擠出生物墨水進行打印。逡逑其中，生物噴墨打印技術使用的噴墨噴頭直徑較小，容易發(fā)生堵塞，且受到機械力和逡逑熱量的影響，容易引起生物質材料的變質和細胞死亡。激光生物打印技術具有較高的分辨逡逑率，但對于粘度較高的材料，由于打印層太薄將迅速失水，且能量吸收層在光照射過程中逡逑可能會存在產(chǎn)生有毒物質的風險［２５］。而使用低溫沉積打印技術，可以避免加熱過程對材料逡逑造成的影響，打印后細胞活性較高［２６￣２７］。另外，低溫沉積打印制備的組織工程支架孔隙率逡逑較高
【學位授予單位】：揚州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：R318.08;TP391.73

【參考文獻】

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本文編號：2634793