3D打印骨软骨一体化修复梯度杂化支架及其性能研究

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1、硕士学位论文3D打印骨软骨一体化修复梯度杂化支架及其性能研究作者姓名董怡帆学科专业生物医学工程指导教师赵娜如副研究员所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月3DPlottingandCharacterizationofaNovelOsteochondralIntegratedGradientedHybridScaffoldADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：DongYifanSupervisor：A.R.F.ZhaoNaruSouthChinaUniversity

2、ofTechnologyGuangzhou,China分类号：TB32学校代号：10561学号：201520113960华南理工大学硕士学位论文3D打印骨软骨一体化修复梯度杂化支架及其性能研究作者姓名：董怡帆指导教师姓名、职称：赵娜如副研究员申请学位级别：硕士学科专业名称：生物医学工程研究方向：生物医用材料论文提交日期：2018年04月25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：叶建东委员：宁成云、邓春林、董华、赵娜如摘要关节软骨在机体中承担着负重、减震、润滑等十分重要的生理功能

3、，但由于软骨内无神经、血管和淋巴细胞，因此关节软骨损伤后很难自我修复和再生，且大多数关节软骨损伤会引起软骨下骨的联合病变。关节软骨和软骨下骨在解剖结构上紧密相连，生物学功能上相互作用，两者共同构成了一个相互依存的功能单元。但两者在组织成分和力学性能上又有所差异，充分显示了其组织界面的重要性，因此骨、软骨和骨软骨过渡层界面是骨软骨缺损修复中必须同时考虑的因素。目前，骨软骨组织工程研究的难点在于软骨和骨间界面无缝连接的梯度结构设计，这使得骨软骨一体化梯度结构组织工程支架成为了当前的热点方向。本研究以构建骨软骨一体化修复梯度杂化材料为目标，采用3D

4、打印技术分别制备仿骨组分和仿软骨组分的杂化材料，通过研究两种材料的理化性能和生物相容性，优选出最佳组分用作骨和软骨修复材料，进一步，采用多喷头打印系统制备出具有材料梯度和结构梯度的骨软骨一体化支架，初步探讨了一体化支架的结构和性能，为以后的体内研究提供基础实验依据。首先，结合溶胶-凝胶法和原位析晶法制备了羟基磷灰石-壳聚糖-二氧化硅杂化（HA-CSH）凝胶，借助3D打印技术构建了形貌可控，三维连通的HA-CSH骨支架。流变测试结果显示无机纳米粒子的引入极大地改善了壳聚糖材料的可打印性；支架的理化性能测试表明n-HA的引入提高了杂化材料的热稳定

5、性，降低了三维支架的溶胀率；纳米级HA的原位生成显著提高了杂化支架的机械强度，同时赋予了杂化材料优良的生物活性；细胞实验结果表明HA-CSH支架具有良好的细胞相容性，其不仅能够支持mBMSCs的粘附和增殖，而且有利于mBMSCs向成骨分化。其次，采用γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)作交联剂，将明胶引入到杂化网络中，结合三维打印技术和冷冻干燥技术成功制备了具有二级三维多孔结构的明胶-壳聚糖(Gel-CSH)软骨支架。电镜观察结果显示随着明胶含量的增加，支架的内部微孔数量增加，孔径减小；支架的交联度随之增大，而支架的溶胀率

6、和体外降解速率显著降低；三维支架的压缩强度和抗拉强度随明胶含量的增加而增大，动态循环测试结果表明，所制备的软骨支架具有类似软骨组织的粘弹性，明胶的引入进一步提高了支架的弹性；支架与软骨细胞共培养结果显示Gel-CSH支架具有良好的细胞相容性，明胶的引入显著提高了软骨细胞的粘附和增殖能力。I最后，从天然关节骨软骨的结构特征得到启示，选用Gel-CSH组分作为软骨层，CSH组分作为软骨钙化层，HA-CSH组分作为软骨下骨层，采用多喷头打印系统成功制备出具有材料梯度和结构梯度的骨软骨一体化支架。形貌观察表明一体化支架结构完整，各层间连接紧密，不仅具

7、有规则的大孔结构，而且可见相互贯通的微孔结构（10~100μm）；力学测试结果表明含软骨钙化层结构的一体化支架的抗压强度达到0.25MPa，明显高于骨软骨双层结构的支架（0.16MPa），表明骨软骨过渡层的仿生结构能有效提高一体化支架的力学性能；mBMSCs在一体化支架上能较好的粘附和生长，且增殖迅速，表明其良好的细胞相容性。该一体化支架有望作为骨软骨组织工程支架应用于骨软骨缺损的修复研究。关键词：杂化材料；骨软骨一体化支架；3D打印；骨软骨修复IIAbstractArticularcartilageplaysanimportantphysi

8、ologicalroleinthebodysuchasweight-bearing,shockabsorption,andanti-slipping.However