载细胞海藻酸盐生物墨水的带电性能及生物3D打印研究

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1、国内图书分类号：TB324密级：公开国际图书分类号：547西南交通大学研究生学位论文载细胞海藻酸盐生物墨水的带电性能及生物3D打印研究年级二零一五级姓名肖雯申请学位级别工学硕士专业生物医学工程指导老师屈树新教授二零一八年五月ClassifiedIndex:TB324U.D.C:547SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisSTUDYONTHECHARGINGPERFORMANCEOFCELL-LADENALGINATEBIO-INKANDITS3DBIOPRINTINGGrade:Postgraduate2015Candidate:XiaoWe

2、nAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpeciality:BiomedicalEngineeringSupervisor:ProfessorShuXinQuMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要生物3D打印(3DBioprinting)由于可得到结构复杂、尺寸精确且具有高生物活性的器官或组织修复体，在组织工程和再生医学中受到广泛关注。但现有生物3D打印方法通常使用机械力、热应力和激光作为驱动力，对细胞损伤较大。为减少生物3D打印对细胞的损伤，本研究提出两个解决方法：一是寻找新的打印驱动力；二是加强打印材料对细胞的保护。细胞能在较高的直流

3、电场作用下保持活性，因此直流电场有望作为驱动力，减小生物3D打印过程中细胞损伤。硫酸软骨素(ChondroitinSulfate，CS)是一种对维持细胞正常生理功能和细胞环境相对稳定具有重要作用的糖胺聚糖，在打印生物墨水中添加CS也有望增强对细胞的保护。本课题组前期研究发现，阴离子聚合物2+海藻酸盐(Alginate)生物墨水与Ca交联后形成的海藻酸钙(A-Ca)凝胶微球带负电，有望在电场驱动下运动，按照既定路线排列、堆积，完成3D打印。因此本论文在课题组前期工作基础上，研究A-Ca凝胶微球电荷量的影响因素和规律，为研制可电场驱动3D打印的生物墨水提供依据；并在海藻酸盐生物墨水中加入CS，增强

4、生物墨水2+对细胞的保护；利用含Ca的明胶基板解决海藻酸盐生物墨水不易打印成型的问题；利用鸡胚绒毛尿囊膜(ChickChorioallantoicMembrane，CAM)寻找一种评价3D打印多孔支架血管化的新方法。本研究将海藻酸钠(SodiumAlginate，SA)作为生物墨水的基本材料。通过挤出-高压静电法打印A-Ca凝胶微球。通过单因素法筛选出凝胶微球的最优制备参数为SA浓度1.3wt%、针头规格27G、电压大小12kV、给料速度15mL/h、液滴下落距离8cm、CaCl2浓度100mM和交联时间15min。在此参数下，制备的A-Ca凝胶微球尺寸较小、均一性和球形度好，利于后期3D打印

5、。通过电导滴定法和法拉第杯-库仑计测量凝胶2+微球电荷量，发现A-Ca凝胶微球带少量负电荷，其电荷量与SA链段中未与Ca交联的羧酸根含量成正相关，为课题组后期研究电场驱动3D打印提供了科学依据。将不同浓度的CS与SA进行物理共混，制备硫酸软骨素/海藻酸钠(CS/SA)生物墨水，通过挤出-高压静电法打印具有不同CS浓度硫酸软骨素/海藻酸钙(CS/A-Ca)凝胶微球。倒置显微镜和扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)结果显示CS加入后对CS/A-Ca凝胶微球成球性能影响较小，但会增大凝胶微球表面孔隙；2+傅里叶红外光谱分析仪(FourierTransform

6、Infrared，FTIR)结果表示CS和SA与Ca西南交通大学硕士研究生学位论文第II页交联时发生了相互作用，形成凝胶；法拉第杯-库仑计测量结果说明随CS浓度增加，可有限的增加凝胶微球电荷量；CS/A-Ca凝胶微球降解性和通透性结果表示CS加入后可促进凝胶微球降解，并增加其通透性，利于物质进出。最终CS最优浓度为0.33wt%，此时CS/A-Ca凝胶微球电荷量大、尺寸较小、成球性和通透性好，且降解速度适中，有望实现电场驱动3D打印，并利于细胞生长。将具有最优CS浓度的CS/SA生物墨水与人脐静脉内皮细胞(HumanUmbilicalVeinEndothelialCells，HUVECs)混合

7、，共同进行生物3D打印，制备含HUVECs的CS/A-Ca(CS/A-Ca/HUVECs)凝胶微球。电荷量检测结果显示含有HUVECs的CS/A-Ca凝胶微球电荷量进一步增加。细胞学及分子生物学评价结果显示CS/A-Ca/HUVECs凝胶微球内细胞生长和增殖正常，且CS的加入更加有利于凝胶微球内细HUVECs生长和血管形成的相关基因表达，增加血管形成的可能性。利用实验室定制的3D打印机打印含HUV