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电纺薄膜胀大工艺制备三维形状可控的组织工程支架研究

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摘要

1 绪论

1.1 组织工程支架研究现状

1.1.1 组织工程学

1.1.2 组织工程支架

1.1.3 组织工程支架的要求

1.2 组织工程支架的常用制造方法

1.2.1 常规制造方法

1.2.2 静电纺丝技术

1.2.3 三维打印技术

1.3 研究内容与论文框架

1.3.1 本论文主要研究内容

1.3.2 论文框架

2 静电纺丝薄膜胀大工艺

2.1 工艺原理

2.1.1 静电纺丝基本原理

2.1.2 二维纳米薄膜胀大艺基本原理

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验设备

2.2.3 纺丝溶液的制备

2.2.4 纳米薄膜的制备

2.2.5 二维薄膜胀大工艺

2.3 支架的性能表征

2.3.1 SEM电镜观察表面形貌

2.3.2 接触角测试亲水性

2.4.1 不同纺丝条件下二维薄膜胀大高度结果

2.4.2 SEM电镜观察表面形貌

2.4.3 接触角测试亲水性

2.5 本章小结

3 具有复杂形状三维组织工程支架的制备

3.1 实验部分

3.1.1 实验材料

3.1.2 实验设备

3.1.4 二维薄膜的制备

3.1.5 三维模具薄膜的制备

3.2 支架性能的表征

3.2.1 SEM电镜观察表面形貌

3.2.2 接触角测试亲水性

3.3 结果与讨论

3.3.1 形状可控三维支架的制造

3.3.2 二维薄膜与三维支架的SEM表征

3.4 本章小结

4 电纺薄膜胀大工艺的正交试验优化

4.1 正交试验概述

4.2 试验因素的选择

4.2.1 静电纺丝工艺过程中的参数

4.2.2 正交试验中因素的选择

4.3 实验部分

4.3.1 实验材料

4.3.2 实验设备

4.3.4 纳米薄膜的制备

4.3.5 二维薄膜胀大工艺

4.3.6 三维胀大工艺各因素中水平的选择

4.3.7 SEM电镜观察形貌

4.3.8 孔隙率的测试

4.4 结果与讨论

4.4.1 正交试验设计

4.4.2 极差分析

4.4.3 方差分析

4.4.4 最优参数

4.4.5 SEM形貌分析

4.4.6 孔隙率分析

4.5 本章小结

5 三维组织工程支架的体外细胞实验

5.1 三维支架的体外生物相容性及细胞形态测试

5.1.1 细胞培养

5.1.2 带有支架的细胞培养

5.1.3 细胞毒性测试

5.1.4 细胞增殖测试

5.1.5 细胞活性测试

5.1.6 细胞表面形貌分析

5.1.7 支架体外生物相容性分析

5.1.8 体外细胞形态分析

5.2 基于生物三维打印的三维支架细胞沉积可控研究

5.2.1 三维生物打印技术简介

5.2.2 三维生物打印技术的研究现状

5.2.3 装载细胞的凝胶溶液的制备

5.2.4 细胞打印结果分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

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摘要

组织工程支架能够为细胞提供生长繁殖环境,并诱导细胞形成具有特定几何外形的组织,它是组织工程的重要组成部分。理想支架需要具备多孔的三维立体结构,为组织或器官中细胞的粘附、增殖和代谢提供空间。本文提出了一种具有复杂外形的三维组织工程支架的制备方法:电纺薄膜胀大工艺,研究了三维支架制备中工艺参数的影响规律,并开展了体外细胞实验。本文的主要研究内容如下:
  1、提出了制备复杂三维组织工程支架的静电纺丝薄膜胀大工艺。首先,将覆盖有硼氢化钠的聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)电纺薄膜置入三维打印机制造的模具中并装配;然后将装配体置于甲醇中,经毛细作用硼氢化钠与甲醇会在薄膜内部发生反应,生成的氢气将PCL薄膜胀大;最后,在模具的约束下形成三维组织工程支架。本文成功制造出不同复杂形状的三维支架,包括半球形、内部中空的圆柱形、骨头外形、半月板外形以及卡通人物大白外形的支架。
  2、系统研究了三维支架制备中工艺参数对电纺薄膜胀大过程的影响规律。采用L27(313)正交表设计了有交互作用的正交试验研究了PCL溶液浓度、纺丝电压、注射泵流速、溶液喷头到接收装置的距离、纺丝时间以及硼氢化钠的质量等工艺参数对胀大效果的影响。结果表明,因素影响强弱次序为:PCL的浓度>电压>硼氢化钠的质量>纺丝时间>溶液喷头到接收装置的距离>注射泵流速;最优胀大条件为:PCL的浓度为8wt%,电压为15KV,流速为4mL/h,溶液喷头到接收装置的距离为20cm,纺丝时间为60min,硼氢化钠的质量为5g;在该最优条件下获得的三维支架的高度高达24mm。
  3、针对所制备的三维支架开展体外细胞实验。用L929小鼠成纤维细胞测试了二维薄膜支架、自由胀大三维支架和可控胀大三维支架的细胞毒性、生物相容性和粘附能力。结果表明,通过硼氢化钠胀大工艺制造的三维支架具有良好的生物相容性和细胞粘附性;利用可控三维支架培养细胞到第7天时的增殖结果显示其光密度(Optical Density,OD)值为2.732,比二维电纺薄膜支架提升了21%。同时,本文通过生物三维打印技术提出了一种支架形状及细胞类型、位置皆可控的“细胞-支架”复合物支架制造的新思路。
  本文所取得的上述研究成果,解决了传统静电纺丝方法无法制造三维组织工程支架的瓶颈难题,为医学研究和临床应用中三维支架的制造提供了新工艺,具有广阔的应用前景。

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