用于骨缺损修复的3D打印明胶_海藻酸钠_生物玻璃支架及结构仿生优化的研究

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1、硕士学位论文用于骨缺损修复的3D打印明胶/海藻酸钠/生物玻璃支架及结构仿生优化的研究作者姓名张颖学科专业生物医学工程指导教师杭飞副教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月Studyon3Dprintedgelatin/sodiumalginate/bioactiveglassscaffoldandstructuralbionicsoptimizationforbonedefectrepairADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterofPhilosophyCandidate：ZhangYing

2、Supervisor：Prof.HangFeiSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：R318.5学校代号：10561学号：201520113878华南理工大学硕士学位论文用于骨缺损修复的3D打印明胶/海藻酸钠/生物玻璃支架及结构仿生优化的研究作者姓名：张颖指导教师姓名、职称：杭飞副教授申请学位级别：硕士学科专业名称：生物医学工程研究方向：生物医学材料论文提交日期：2018年4月日论文答辩日期：2018年5月31日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：曹晓东委

3、员：吴刚施雪涛杭飞方立明摘要由多种原因造成的创伤、肿瘤或感染等导致患者部分骨质的丧失而形成的较大尺寸的骨缺损是目前临床医学治疗中的一个巨大挑战。对于这类骨缺损的再生修复，临床中通常采用自体骨移植、异体骨移植和人工骨移植等骨移植方法。但自体骨来源有限，异体骨有感染疾病的风险，人工骨缺乏骨诱导活性，这些缺点和不足限制了其临床应用。因此，研究具有高生物活性和能够高效促成骨的新型再生骨缺损修复材料成为近年来的难点和热点，且具有巨大的临床需求和市场前景。骨组织工程已被证明是骨缺损修复的一种有效方法。生物活性玻璃作为一类重要的骨组织工程的支架材料，能在体内有效促

4、进生物矿化，释放硅、钙离子促进干细胞成骨、成血管。明胶/海藻酸钠水凝胶是由天然高分子材料混合而成，具有良好的生物相容性、组织可吸收性、低免疫原性等优点，特别是其利于和高生物活性无机粉体结合进行3D打印成型，但其力学强度比较差。成分优化和内部微结构的优化构建是提高骨组织工程支架力学性能、生物活性与成骨成血管性能的有效途径。3D打印能有效构建多孔生物玻璃骨组织工程支架，精确调控孔隙率、孔径等参数，赋予其较好的生物活性，但先前研究中所制备的纯生物玻璃支架普遍存在力学强度不足，烧结后生物活性差等问题。本研究利用溶胶-凝胶法制备生物活性玻璃，从仿生角度出发，采

5、用低温三维纤维沉积技术制备了明胶/海藻酸钠/生物玻璃复合支架，探索了支架后处理条件、材料复合对支架的力学、降解、矿化活性及细胞增殖、分化等性能的影响；利用力学优化方法设计新型仿生多级多孔core-shell结构，并采用低温三维纤维沉积技术制备了core-shell结构生物玻璃支架，探索了结构优化的最佳设计参数。采用溶胶-凝胶法制备的生物活性玻璃经过热处理及球磨后粒径分布均匀、结晶度低、表面疏松多孔且矿化活性良好，利于3D打印成型。通过探讨不同浓度的戊二醛溶液交联复合支架，确定1%浓度的戊二醛溶液处理后的支架既既具有较优的力学强度，又能使复合支架保持良

6、好的吸水溶胀性和细胞相容性，并且能使支架在降解过程中不发生溃散。在生物玻璃/明胶/海藻酸钠复合支架体系中，添加的生物玻璃在浆料配制过程中释放出的钙离子对海藻酸钠进行了部分交联，有助于孔隙连通的三维支架的成型；生物玻璃的添加提升了支架的压缩强度且在生物玻璃含量为30%wt左右（30BG）时达到10MPa；添加了生物玻璃的复合支架表面粗糙不平，mBMSCs细胞在其上具有更好的粘附作用；I低含量生物玻璃对细胞增殖的促进作用明显大于明胶/海藻酸钠支架，而当生物玻璃含量大于10%wt时，由于初期有较多钙离子溶出致使支架及培养基的pH上升，影响了细胞的活性，其对

7、细胞增殖的促进作用（14天前）不如明胶/海藻酸钠支架，在后期（14天后）随着离子释放作用的减弱其对细胞增殖的促进作用渐渐赶上明胶/海藻酸钠支架；添加了生物玻璃的复合支架表现出更加优越的成骨分化能力及矿化活性。利用力学优化方法设计的新型仿生多级多孔core-shell结构，具有较高力学性能的同时又具有高孔隙率。支架的孔隙率越大越利于营养物质和代谢废物的循环，对组织修复和重建起着至关重要的作用。设计与制备结构优化的支架为我们进一步深入研究其对细胞行为的影响及动物实验提供了基础，为研发高修复活性及力学性能优异的再生修复材料提供了新思路。关键词：生物玻璃；明

8、胶/海藻酸；仿生结构；骨组织工程支架；低温三维印刷沉积IIAbstractThelargebonedefec