丝素蛋白基生物墨水的制备及3D打印技术的研究

论文摘要

关节骨软骨损伤是临床上最棘手的疾病之一,且拥有高发病率。外部损伤、运动不当、体重的过高及老龄化等均能引发膝关节的损伤。而膝关节的主要受损部位为软骨,其自我修复能力差,过度损伤可导致膝关节功能的缺失。组织工程软骨替代物移植是常见的治疗策略,其中,在构建软骨植入体时,病人个体化差异是影响修复效果的关键因素之一。3D打印技术是基于精准化、快速化的一门增材制造技术,3D打印技术与组织工程支架构建的结合,为提高临床修复效果开辟了一条新的道路。而目前应用于软骨组织工程领域的3D打印“生物墨水”材料种类的匮乏,限制了这一策略的发展及应用,故开发一种适于组织工程3D打印墨水变得尤为重要。近年来,水凝胶因具有与细胞外基质（ECM）相似的理化性质在生物医学领域引起了极大的关注。天然聚合物水凝胶与其它合成生物材料相比,更接近活体组织,具有较高的吸水率,吸水后可减少对周围组织的摩擦作用。同时水凝胶表现出良好的生物相容性,可以作为活性基质来控制细胞形态、增殖和分化。因此,水凝胶类生物材料在用于软组织再生方面具有较好的应用前景。本研究中,我们开发了一种基于丝素蛋白材料的复合3D打印生物墨水并进行了软骨仿生支架的构建。生物墨水的成分由改性的丝素蛋白和改性的明胶构成,通过对3D打印技术的探究制备出可适于软骨移植的水凝胶仿生支架。对丝素蛋白生物墨水的合成及3D打印支架的理化性能和生物相容性进行了研究。主要包括以下几个方面:（1）首先分别合成接枝有光敏基团的丝素蛋白和明胶,探究了目标产物的结构和接枝效果。实验结果表明,用甲基丙烯酸缩水甘油酯对丝素蛋白进行修饰和改性,能够最大程度地利用丝素蛋白上极为有限的赖氨酸反应活化基团,成功合成了目标产物。（2）使用合成的丝素蛋白（SilMA）与合成的明胶（GelMA）制备复合水凝胶,并进行紫外光交联,探究不同改性丝素蛋白（SilMA）含量的改变对水凝胶理化性能的影响。实验结果表明,随着SilMA含量的增加,复合水凝胶的孔径和溶胀率减小,机械性能增加,且SilMA的含量会对交联点具有轻微的影响,这是由于SilMA和GelMA内部结构的相互制约。（3）使用合成的SilMA-GelMA复合3D打印生物墨水进行仿生支架的构建。探究不同网格填充宽度、不同针头直径等打印参数对仿生支架构建的影响,并进行体内外生物学评价。细胞增殖实验表明,骨髓间充质干细胞（BMSCs）可以在SilMA-GelMA复合生物墨水3D打印的仿生软骨支架上粘附和生长。大鼠皮下包埋实验证明支架具有良好的生物相容性,细胞在一周内就可以长入支架内部并且不会引起炎症反应。综上所述,本研究制备的SilMA-GelMA复合墨水能很好地适用于组织工程3D打印技术,可打印多种个性化支架,特别是软骨损伤的移植与修复。3D打印技术与水凝胶组织工程支架的结合,为生物医学领域的治疗策略提供了新的思路。

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Abstract

第一章绪论

1.1 3D打印技术概述

1.1.1 3D打印技术原理

1.1.2 3D打印技术墨水的开发及在组织工程领域中的应用

1.2 丝素蛋白

1.2.1 丝素蛋白的结构

1.2.2 丝素蛋白在组织工程领域的研究进展

1.3 软骨组织工程概述

1.4 课题研究的意义和研究内容

1.4.1 课题的提出

1.4.2 本课题研究内容

1.4.3 本课题研究的创新点

第二章 SilMA及 GelMA的合成及其理化性能评价

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 材料与仪器

2.2.2 再生丝素蛋白的提取和制备

2.2.3 SilMA的合成

2.2.4 GelMA的合成

2.2.5 测试与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 SilMA与 GelMA的合成机理

2.3.2 SilMA与 GelMA的结构表征

2.4 本章小结

第三章光交联SilMA/GelMA3D打印水凝胶墨水的制备及理化性能评价

3.1 前言

3.2 实验内容

3.2.1 材料与仪器

3.2.2 SilMA-GelMA复合水凝胶的制备

3.2.3 水凝胶微观形貌观察

3.2.4 流变性能测试

3.2.5 粘度测试

3.2.6 溶胀性能测试

3.2.7 压缩性能测试

3.2.8 体外降解性能测试

3.2.9 统计学分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 水凝胶的光交联效果评价

3.3.2 水凝胶的微观形貌观察

3.3.3 水凝胶的流变性能评价

3.3.4 水凝胶的剪切变稀性能评价

3.3.5 溶胀性能评价

3.3.6 水凝胶的力学性能评价

3.3.7 水凝胶的体外降解评价

3.4 本章小结

第四章 3D打印支架构建的探究及体内外生物学评价

4.1 前言

4.2 实验内容

4.2.1 材料与仪器

4.2.2 3D打印SilMA/GelMA复合墨水的制备

4.2.3 3D打印SilMA/GelMA复合支架的制备

4.2.4 BMSCs的提取

4.2.5 细胞增殖实验

4.2.6 3D打印支架微观形貌观察

4.2.7 皮下包埋实验

4.3 结果与讨论

4.3.1 SilMA/GelMA复合支架的制备及3D打印技术的探究

4.3.2 BMSCs在3D打印水凝胶支架上的生物学评价

4.3.3 3D打印支架微观形貌观察

4.3.4 SilMA/GelMA复合墨水3D打印支架的体内生物相容性评价

4.4 本章小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 存在的问题与展望

附录攻读硕士学位期间科研成果及获奖情况

致谢

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张景添

导师: 何创龙,齐来俊

关键词: 生物打印,生物墨水,丝素蛋白,明胶,水凝胶,软骨修复

来源: 东华大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,计算机软件及计算机应用

单位: 东华大学

基金: 国家重点研发项目(项目号:2018YFB1105602)

分类号: TP391.73;R318

DOI: 10.27012/d.cnki.gdhuu.2019.000507

总页数: 81

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