三维打印海藻酸钠改性明胶复合水凝胶支架的制备与骨修复性能研究

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1、硕士学位论文三维打印海藻酸钠/改性明胶复合水凝胶支架的制备与骨修复性能研究作者姓名陈海婷学科专业生物医学工程指导教师方立明所在学院材料科学与工程论文提交日期2018年4月23日3DprintingofSA/GelMAHydrogelScaffoldforBoneRepairApplicationsADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ChenHaitingSupervisor：PhD.FangLimingSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,

2、China分类号：TB324学校代号：10561学号：201520113854华南理工大学硕士学位论文三维打印海藻酸钠/改性明胶复合水凝胶支架的制备与骨修复性能研究作者姓名：陈海婷指导教师姓名、职称：方立明副研究员申请学位级别：理学硕士学科专业名称：生物医学工程研究方向：生物医用材料论文提交日期：2018年4月23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：曹晓东委员：施雪涛、杭飞、吴刚、方立明摘要随着骨缺损病例的增长，临床对骨缺损修复材料和器械的需求不断提高。骨缺损修复组织工程支架是近年来的

3、研究热点。相比传统的支架成型方法，三维打印具有快速高效、可定制和精确调控支架孔隙结构等优势。海藻酸钠和明胶是三维打印组织工程支架常见的两种可降解天然高分子材料。其中，海藻酸钠与钙离子可快速鳌合固化成型，甲基丙烯酸酐改性明胶既保持了明胶良好生物相容性，低温物理成胶特性且具有紫外光交联的特性。通过优化浆料成分和打印参数调控两种材料的固化交联成型使其具有良好的三维打印性。因此，本研究采用海藻酸钠和改性明胶作为三维打印组织工程支架材料，从成分和孔径两方面进行海藻酸钠/改性明胶基复合支架骨修复性能研究，主要研究工作和结论如下：（1）三维打印浆料配方优化和打印性研

4、究。首先，研究海藻酸钠和钙离子的比例对复合水凝胶支架打印性能的影响；然后通过平板流变仪测试打印浆料的流变性能，分析打印性能与流变性能的关系，从而指导打印材料体系的配制及打印浆料的优化。结果发现，钙离子浓度是影响打印材料体系的流变性能和打印性能的关键因素，随着海藻酸钠浓度的升高（3w/v%-5w/v%），适合打印的钙离子浓度范围从0.02M增加到0.05M。综合考虑到支架的打印性能和力学性能，得到优化的打印材料体系配比为10w/v%GelMA、5w/v%SA和0.02MCaCl2。（2）羟基磷灰石对海藻酸钠/改性明胶力学和细胞生物学性能的影响研究。为提高

5、水凝胶支架的力学和骨修复性能，复合了纳米羟基磷灰石打印支架。结果发现，随着纳米羟基磷灰石含量升高到20w/v%，水凝胶复合支架的弹性模量和压缩强度分别达到174kPa和7.3MPa，比纯海藻酸钠/改性明胶支架分别提高约10倍和4.6倍。复合纳米羟基磷灰石后，骨髓间充质干细胞在水凝胶支架表面的粘附和增殖能力有所下降，但成骨分化能力略有提高。（3）支架孔径和表面矿化对海藻酸钠/改性明胶力学性能和生物学性能的影响研究。孔隙结构是影响支架性能的重要因素之一，因此，本研究比较了均一孔径大小和梯度孔径大小的水凝胶复合支架的力学及细胞生物学性能。结果发现，在孔径尺寸

6、为400-700μm的范围内，梯度孔径和均一孔径支架的力学性能无显著差异，但梯度孔径支架的细胞承载量更高，因而促进了细胞的增殖和成骨分化。其次，表面矿化海藻酸钠/改性明胶I凝胶支架提高了支架的体外成骨分化。将三维打印的海藻酸钠/改性明胶支架植入3.5mm的兔股骨外踝缺损部位，12周后取出、处理、切片、H&E和Masson染色，进行组织学观察。结果发现，矿化和梯度孔径结构能显著改善海藻酸钠/改性明胶的骨修复性能，表面矿化有利于骨缺损修复，梯度孔径也有一定程度的促进作用，矿化和梯度孔径结构结合的修复效果仅次于载BMP-2的矿化梯度孔径支架。本研究通过优化海

7、藻酸钠/改性明胶双交联体系的成分和流变性能调控其打印性能，制备了具有梯度孔径结构的水凝胶复合支架，并通过仿生矿化在支架表面沉积了钙磷涂层，体外细胞生物学和动物体内植入实验表明该支架具有较好的骨缺损修复能力。本研究对后续改进水凝胶支架的三维打印技术，增加梯度孔径范围和数量，探索高通量筛选孔径大小对力学和骨修复性能的影响，以及探讨表面矿化涂层和载因子或药物提高水凝胶支架的骨修复性能有参考价值。关键词：组织工程；三维打印；水凝胶支架；梯度结构；矿化；骨修复IIAbstractThereisagrowingdemandforbonerepairmaterial

8、sanddevicesasthenumberofpatientsincreases.Recen