可控多尺度分级孔结构羟基磷灰石骨支架的制备技术研究

摘要

由于爆炸式的发展，近年来增材制造（俗称3D打印）已经成为目前最热门的研究方向之一，特别是在机械制造（金属打印）和临床医学（细胞打印）等方面。骨组织工程是目前公认的最具潜力和发展前景的骨缺损修复方式，而支架是其中的关键。因此，越来越多的研究者在不断尝试生物相容性支架的制备工艺与方法，而绝大多数的制备手段都是通过3D打印或与其他技术相结合的方式。然而，随着骨组织工程的发展，其对骨支架也提出了更高的要求，一些传统的制备方法甚至是目前流行的3D打印技术也很难满足要求，因此仍然需要研究者们不断地探索新方法和新工艺来制备更加仿生（如材料和结构等方面）的骨组织工程支架。
　　为了制备具有更优良的生物学性能的骨组织工程多孔支架，本文以挤出沉积制造技术为核心，以商业化的羟基磷灰石（HA）作为主要材料，分别从结构优化和成分仿生两方面对骨组织工程支架的制备技术进行改进与升级，探索出了一个结合发泡法来制备多尺度分级孔结构（纳米-微米-毫米，nm-μm-mm）支架的新型成形工艺（结构优化），同时通过开发新型的多材质生物材料打印技术为高仿生支架的制备奠定了坚实的基础。
　　首先，本文研究了使用石墨作为致孔剂在多孔羟基磷灰石支架的细丝上形成额外微孔的新型支架制备工艺，结合HA-石墨复合支架（HA-G）的烧结特性对复合支架的烧结工艺进行了优化，以保证石墨能够完全氧化的同时又能最大程度地保留支架细丝上额外的微孔。为验证石墨是否完全烧损，本文分别使用了X-射线衍射分析（XRD）和能量弥散能谱分析（EDX）等手段对烧结后的支架进行材料成分分析，然后使用电子扫描显微镜（SEM）对支架的多尺度分级孔结构进行表征。另外，为了达到较为准确控制支架整体孔隙率和额外微孔孔隙率的目的，本文分别从改变石墨复合支架中石墨的体积含量和对支架干燥和烧结后的收缩率的统计分析等两方面着手，使支架制备技术更加可控。
　　其次，本文为研究致孔剂颗粒度对石墨复合支架性能的影响，又使用纳米石墨（nG）作为新致孔剂，与微米石墨（μG）制备的复合支架和纯HA的普通支架的理化性质进行对比分析。考虑到支架强度在骨组织修复过程中的重要性，本文以强度和额外孔隙率为考核标准对石墨的含量进行筛选，以明确实验目标并减少工作量和实验成本。对比研究的基本理化性质包括微观形貌、孔隙尺寸与孔隙率分布、烧结后的结晶度、生物可降解性以及亲水性等。结果表明HA-G复合支架的多尺度分级孔结构是客观存在的，而且理化性质比纯HA普通支架更胜一筹。
　　再次，考虑到HA-G复合支架中即使残留少量的石墨也会对细胞造成一定的毒性，我们使用活性细胞计数法（CCK-8）对石墨复合支架的细胞毒性进行了分析。在此基础上，先使用SEM观察细胞在各支架上的粘附和舒展形态，再分别使用荧光染色的方式对支架上细胞间的连接状态与细胞存活率进行了详细分析；又通过成肌细胞分化为肌小管组织的过程来评价多尺度分级孔结构支架在对促进细胞分化作用等生物学性能方面的优势。研究表明以微米石墨作为致孔剂的HA-G复合支架具有最佳的生物活性。
　　最后，为满足骨组织工程支架中多材质打印的需求，成功设计和搭建了组合式多喷头3D打印系统。本文对该项打印系统的精度控制、可控性、稳定性与多喷头打印的协调性等方面进行了详细分析，并以特殊参数组合为基础建立了专家数据库，极大地方便了后续新材料打印的参数调节过程。本研究中的新型3D打印系统有望可以为高仿生骨组织工程支架的打印与构建提供实践与技术参考。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第 2 章 多尺度分级孔结构支架的制备工艺与研究

2.1 引言

2.2 主要实验材料

2.3 实验设备与研究方法

2.4 实验结果分析与讨论

2.5 本章小结

第 3 章 多尺度分级孔结构支架的理化性质

3.1 引言

3.2 主要实验材料

3.3 实验设备与研究方法

3.4 实验结果分析与讨论

3.5 本章小结

第 4 章 多尺度分级孔结构支架的生物活性

4.1 引言

4.2 主要实验材料

4.3 实验设备与研究方法

4.4 实验结果分析与讨论

4.5 本章小结

第 5 章 多材质仿生支架打印平台的构建技术与研究

5.1 引言

5.2 组合式多喷头系统

5.3 主要实验材料与控制参数

5.4 实验设备与研究方法

5.5 实验结果分析与讨论

5.6 本章小结

第 6 章 总结与展望

6.1 内容总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1：攻博期间的学术成果

A1.1 学术论文及专利

A1.2 国际学术会议

附录2：术语缩写一览表