草源性纳米纤维素复合明胶的制备及生物3D打印皮肤支架成型工艺的研究

摘要

明胶(Gelatin，GEL)，既具有胶原蛋白(COL)所具有的生物相容性优势，又具有无抗原性、价格低廉、来源广泛等优点，因而成为一种可用于生物3D打印组织工程皮肤支架的潜在材料。但较差的力学性能限制了它的应用。通过将纤维素纳米纤晶须(Cellulosenanocrystals，CNC)填入明胶中可提高明胶的力学性能。本课题系统地研究了CNC/GEL复合凝胶作为组织工程皮肤支架材料的可行性及通过生物3D打印组织工程皮肤支架的可打印性，取得了一些具有创新意义的成果: (1)通过硫酸水解法从葎草茎(Humulus japonicus stems，HJS)、玉米壳(Corn husk，CH)和小麦秸秆(Wheat straw，WS)中提取CNC。通过硫酸水解联合高温高压(HT)预处理法从Bleached HJS中提取HT-CNC。通过SEM、TEM、FITR、XRD、TGA等测试方法对样品性能进行了表征，研究了HT预处理对于CNC性能的影响。 研究结果表明:相比CH和WS，HJS是一种更为优质的CNC提取源。HT预处理过程中，HT-HJS发生了更充分地润胀，且氢键发生了重组，使得纤维内部分子排列有序性提高。酸水解过程中，HT-HJS横向的充分润胀有利于H+沿横向扩散速率的提高;氢键重组有利于沿纤维素分子链方向一致的纵向上结晶度的提高。最终得到了高长径比(63.40)、高结晶度(83.34％)的HT140-CNC，远高于未经HT预处理而直接提取的CNC的长径比(32.00)和结晶度(70.50％)。 (2)分别使用两种长径比不同的CNC制备CNC/GEL复合凝胶，通过压缩实验和压痕试验对复合凝胶的弹性模量和断裂韧性进行了测量，研究了CNC长径比及含量对复合凝胶力学性能的影响，建立了复合凝胶弹性模量和断裂韧性的预测模型。 研究结果表明:高长径比的CNC可以更加显著的改善复合凝胶的弹性模量和断裂韧性。当CNC填充量达到10％时，CNC/GEL的弹性模量和断裂韧性达到了最大值，是单一GEL弹性模量的8.90倍，断裂韧性的8.31倍;当CNC含量大于10％时，GEL基体中的CNC发生了团聚，CNC/GEL的弹性模量和断裂韧性开始下降。通过对比与分析，分别对COX model和Jintegral model进行了修正，修正后的模型对于CNC/GEL弹性模量预测的误差值在±2％以内，断裂韧性预测的误差值在±6％以内，明显优于原模型。 (3)通过SEM、XRD、FTIR、DSC、溶胀率等表征方法对10％-CNC/GEL-5作为皮肤支架材料的化学稳定性进行分析;通过光学显微镜及SEM显微镜观察，CCK-8、Live/dead细胞染色的方法对10％-CNC/GEL-5作为皮肤支架材料的生物相容性进行分析。 研究结果表明:相比GEL-5凝胶，10％-CNC/GEL-5复合凝胶的微观结构更加紧凑有序，稳定性也明显地更好。10％-CNC/GEL-5经交联处理后稳定性进一步增强，在37℃PBS溶液中可达到润胀平衡而不会溶解。生物实验结果证实交联处理后的10％-CNC/GEL-5仍具有良好的生物相容性。因此，10％-CNC/GEL-5满足作为皮肤支架材料的化学稳定性和生物相容性要求。 (4)建立了CNC/GEL水凝胶的流变特性理论模型，使用流变仪对水凝胶的流变参数进行了测量，并通过Fluent仿真的方法模拟了水凝胶在料筒内的挤出过程。 理论模型表明水凝胶在喷头内流动受到剪切应力作用时发生“剪切变稀”，且在料筒和喷头的圆形截面上，剪切应力和速度沿直径方向成非线性分布。流变测试结果验证了CNC/GEL复合凝胶具有理论模型中的“剪切变稀”和粘度恢复”特性。Fluent仿真进一步证明了在料筒和喷头的圆形截面上，剪切应力和速度沿直径方向成非线性分布，且纤维在挤出喷头时会伴随着“挤出胀大”现象。三种不同的方式统一验证了CNC/GEL具有可打印性。 (5)通过3D打印实验，验证CNC/GEL水凝胶的可打印性，分析了3D打印过程中支架的成型机理，及打印参数对成型效果的影响。 研究结果表明:“剪切稀化”使得水凝胶可以顺利流出喷头，“挤出胀大”使得挤出纤维的实际宽度大于喷头直径，“粘度恢复”使得打印完成后的支架能够稳定成型，粘度恢复时间为30 s。打印压力、打印温度、喷头直径等工艺参数的变化会引起水凝胶在料筒内部的“剪切稀化”和“挤出胀大”的量变，从而影响到挤出纤维的实际成型效果。CNC加入后水凝胶内部分子之间的相互作用力增强，水凝胶的粘度和模量提高，抵抗变形能力增强，有利于改善支架的成型效果。10％-CNC/GEL-5复合凝胶具有最高的弹性模量，10％-CNC/GEL-5支架也表现出最好的强度和抗变形能力。

目录

摘要

第一章绪论

1．1课题的选题背景和意义

1．2组织工程皮肤支架的研究现状

1．3组织工程皮肤支架的制备方法

1．3．1传统方法

1．3．2生物3D打印技术

1．4生物3D打印组织工程皮肤支架材料的选择

1．4．1适合用于3D打印皮肤支架的水凝胶

1．4．2生物3D打印皮肤支架水凝胶的研究现状

1．4．3明胶作为生物3D打印组织工程皮肤支架的不足之处

1．4．4明胶水凝胶的改性方法

1．5纳米复合凝胶

1．6 CNC及提取方法

1．6．1纤维素

1．6．2 CNC的制备方法

1．6．3高长径比的CNC

1．7课题的研究目的及主要研究内容

1．7．1课题研究目的

1．7．2主要研究内容

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验材料

2．2．2实验仪器

2．2．3制备方法

2．2．4性能测试

2．3三种植物中提取的CNC的结果与分析

2．3．1成分比较

2．3．2宏观及微观形貌分析

2．3．3红外光谱分析(FTIR)

2．3．4 X射线衍射图谱分析(XRD)

2．3．5热重分析(TGA)

2．4 HT预处理后提取CNC的结果分析

2．4．1微观形貌及产量分析

2．4．2红外光谱分析(FTIR)

2．4．3X-衍射图谱分析(XRD)

2．4．4表面含硫量分析

2．4．5热失重分析

2．5本章小结

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验材料

3．2．2实验仪器

3．2．3制备方法

3．2．4力学性能测试

3．3 CNC／GEL复合凝胶弹性模量的预测与结果分析

3．3．1理论模型

3．3．2 CNC／GEL复合凝胶弹性模量的预测及COX方程修正

3．3．3 CNC长径比对CNC／GEL复合凝胶弹性模量的影响

3．4 CNC／GEL复合凝胶断裂韧性的预测与结果分析

3．4．1理论模型

3．4．2 CNC／GEL复合凝胶断裂韧性的预测及Jintegral方程修正

3．4．3 CNC长径比对于CNC／GEL复合凝胶断裂韧性的影响

3．5本章小结

第四章CNC／GEL复合凝胶的化学稳定性与生物相容性

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验材料

4．2．2实验仪器

4．2．3制备方法

4．2．4性能测试

4．3结果与分析

4．3．1形貌分析

4．3．2交联率分析

4．3．3 X-衍射图谱分析(XRD)

4．3．4红外光谱分析(FTIR)

4．3．5热稳定性分析

4．3．6溶胀率分析

4．3．7生物相容性分析

4．4本章小结

第五章CNC／GEL水凝胶流变性能研究及挤出过程的有限元仿真

5．1引言

5．2流变测试部分

5．2．1流变测试材料

5．2．2流变测试设备

5．2．3流变测试方法

5．3 CNC／GEL水凝胶的流变特性理论模型

5．4流变测试结果与分析

5．4．1剪切速率对粘度的影响

5．4．2温度对粘度的影响

5．4．3 CNC／GEL复合凝胶粘度的恢复时间

5．4．4 CNC／GEL复合凝胶的粘弹性

5．4．5 CNC／GEL复合凝胶的凝胶-溶胶转变点(Tsol-gel)

5．5打印过程的有限元仿真

5．5．1有限元仿真过程

5．5．2有限元仿真结果分析

5．6本章小结

第六章基于CNC／GEL复合凝胶的3D打印皮肤支架的成型机理研究

6．1引言

6．2 3D打印实验

6．2．1 3D打印实验材料

6．2．2 3D打印实验设备

6．2．3 3D打印实验方法

6．3 3D打印实验结果分析

6．3．1挤出膨大对成型效果的影响

6．3．2粘度恢复对成型效果的影响

6．3．3打印压力对成型效果的影响

6．3．4打印温度对成型的影响

6．3．5喷头直径对成型效果的影响

6．3．6喷头行走速度对成型效果的影响

6．3．7水凝胶力学性能对支架成型效果的影响

6．4本章小结

第七章结论与展望

7．1结论

7．2创新点

7．3展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果

致谢

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