本文關鍵詞：醫(yī)用聚合物組織工程支架的制備方法及其結構性能研究

  更多相關文章： 組織工程支架 微孔注射成型 靜電紡絲 熱致相分離 支架結構性能

【摘要】：組織工程支架是組織工程學中的一個重要組成部分。在組織工程中,支架能夠暫時性地替代自體受損組織為細胞和再生的組織提供載體,并以一定的機械強度來維持人體正常的生命活動。怎樣制備符合人體不同組織需求的理想支架一直是組織工程學研究中的重點和難點。在本博士學位論文中對微孔注射成型法、靜電紡絲法、熱致相分離法三種不同的組織工程支架制備方法進行了深入研究,通過對支架制備工藝過程的控制和改進以及對材料配方的組合優(yōu)化,來精確地調(diào)控制備支架的微觀結構和宏觀性能,以獲得具有高孔隙率、良好泡孔連通性、理想機械性能和表面性能、適合細胞生長繁殖的三維多孔支架。進一步采用自制模具結合不同工藝制備了能夠模擬人體血管結構的小直徑三層血管支架。微孔注射成型能夠批量化生產(chǎn)聚合物多孔支架,在基于該技術的研究中通過正交試驗分析了不同工藝條件對支架泡孔結構、機械性能的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)加工溫度與二氧化碳(CO2)含量對制備的熱塑性聚氨酯(TPU)多孔支架的結構形態(tài)具有較大的影響。在發(fā)泡過程中使用水和CO2作為共同發(fā)泡劑能夠制備無皮層結構的TPU支架且支架的泡孔尺寸更加均一、發(fā)泡面積更大。通過將軟質(zhì)與硬質(zhì)TPU進行熔融共混以及微孔注射成型獲得的發(fā)泡材料具有不同微觀泡孔結構和宏觀力學性能;該方法同樣適用于高韌性的TPU與高強度的聚乳酸(PLA)體系,研究發(fā)現(xiàn)制備的TPU/PLA多孔支架能夠滿足多種組織修復的機械性能要求。在TPU基體內(nèi)引入水溶性鹽和聚乙烯醇(PVOH)作為致孔劑并結合粒子瀝濾法可以提高制備支架的孔隙率和泡孔連通性、改善支架的細胞相容性。采用聚己內(nèi)酯(PCL)/納米纖維素晶體(CNC)復合材料進行微孔注射成型,由于CNC的增強及成核作用,獲得支架的泡孔密度高、均一性好,且拉伸強度和斷裂伸長率分別提升了71%和510%。靜電紡絲法獲得的纖維支架結構與人體細胞外基質(zhì)相似且與細胞相互作用較強,在該方面研究中首先進行了TPU溶液的纖維形成機理研究,發(fā)現(xiàn)當溶液濃度高于2倍臨界鏈纏結濃度(Ce)時紡絲可形成均一的無珠粒纖維,通過控制溶液中軟段和硬段的比例能夠調(diào)節(jié)支架的性能,從而影響細胞行為。其次,在TPU/羥基磷灰石(HA)復合材料纖維支架的研究中發(fā)現(xiàn)納米級HA的分散性優(yōu)于微米級HA,且人體間充質(zhì)干細胞在含有納米HA的纖維支架上的生長狀態(tài)更好、分化程度更高。最后,研究中采用自制的纖維收集裝置制備了高度單向取向和正交取向的TPU纖維支架,并通過在溶液中加入提高溶液導電性的納米碳管(CNT)和聚丙烯酸(PAA)極大地提高了紡絲纖維的取向度,而且發(fā)現(xiàn)小鼠纖維細胞在具有取向結構的纖維上的繁殖能力、遷移速率和遷移距離都較高,且細胞趨向于沿纖維取向方向生長。熱致相分離法能夠制備孔隙率高、泡孔連通性好的三維多孔支架,在該方面研究中選用了多種溶劑體系和致孔劑來制備具有不同結構和功能的支架,結果發(fā)現(xiàn)使用二惡烷作為溶劑制備的支架為梯狀泡孔結構,而使用水和二惡烷的混合溶劑制備的支架具有高連通性的圓形泡孔結構,且該結構支架的機械性能更強,而加入鹽粒子作為致孔劑獲得的支架孔隙率高達93%。在支架中添加HA能夠起到良好的增強效果,而且含有納米級HA的支架具有良好的仿生礦化能力,能夠在模擬人體體液(SBF)中誘導形成類骨組織的磷灰石。采用二甲基亞砜(DMSO)作為溶劑同樣能制備TPU多孔支架,加入納米碳管(CNT)和納米原纖化纖維素(NFC)能夠有效改善支架的機械性能,細胞培養(yǎng)實驗表明制備的復合材料支架均具有良好的細胞相容性。在多種支架制備工藝研究的基礎上,結合靜電紡絲、蠶絲編織和熱致相分離法,使用自制模具開發(fā)了小直徑多層血管支架制備新方法。通過靜電紡絲法和熱致相分離法的交替使用制備了同時具有TPU纖維網(wǎng)狀結構和聚碳酸亞丙酯(PPC)三維泡孔結構的多層血管支架。進一步使用編織蠶絲作為中間層可制備獲得“內(nèi)層為紡絲纖維結構、中間層為蠶絲網(wǎng)狀結構、外層為三維泡孔結構”的三層血管支架,該支架的性能滿足移植手術和血液流動的要求,并且能夠促進血管內(nèi)皮細胞在支架內(nèi)表面的粘附生長,起到防止血栓和凝血形成的作用。
【關鍵詞】：組織工程支架 微孔注射成型 靜電紡絲 熱致相分離 支架結構性能
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R318.08;TQ342.87
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 物理量名稱及符號15-16
• 第一章 緒論16-36
• 1.1 組織工程學及組織工程支架16-18
• 1.1.1 組織工程的定義16-17
• 1.1.2 組織工程過程基本要素17-18
• 1.1.3 組織工程支架的植入18
• 1.2 理想組織工程支架的要求18-21
• 1.2.1 支架的微觀結構19
• 1.2.2 支架的表面性能19-20
• 1.2.3 支架的機械性能20-21
• 1.3 組織工程支架的常用材料21-25
• 1.3.1 天然材料21-23
• 1.3.2 合成高分子材料23-25
• 1.4 組織工程支架的常用制備方法25-31
• 1.4.1 溶劑法制備25-29
• 1.4.2 非溶劑法制備29-31
• 1.5 血管組織工程支架概況31-33
• 1.5.1 血管組織工程支架的要求31-32
• 1.5.2 血管組織工程支架的常用制備方法32-33
• 1.6 本論文的研究目的、意義及研究內(nèi)容33-35
• 1.6.1 本論文的研究目的及研究意義34
• 1.6.2 本論文的研究內(nèi)容34-35
• 1.7 本章小結35-36
• 第二章 微孔注射成型法制備三維多孔支架的研究36-108
• 2.1 工藝參數(shù)對TPU支架形態(tài)結構的影響37-48
• 2.1.1 概述37-39
• 2.1.2 實驗部分39-42
• 2.1.3 正交試驗結果42-44
• 2.1.4 數(shù)據(jù)擬合分析44-47
• 2.1.5 Moldex3D模擬驗證47-48
• 2.1.6 結論48
• 2.2 使用水和CO2 混合發(fā)泡劑制備TPU多孔支架48-59
• 2.2.1 概述48-49
• 2.2.2 實驗部分49-51
• 2.2.3 樣品形態(tài)結構分析51-53
• 2.2.4 樣品拉伸性能與熱性能53-54
• 2.2.5 紅外光譜、熱重、分子量分析及細胞毒性54-56
• 2.2.6 泡孔形成原理分析56-59
• 2.2.7 結論59
• 2.3 TPU支架泡孔形態(tài)及機械性能的調(diào)控研究59-71
• 2.3.1 概述59-60
• 2.3.2 實驗部分60-62
• 2.3.3 TPU成分及其相容性62-65
• 2.3.4 TPU支架的泡孔形態(tài)結構65-66
• 2.3.5 TPU支架的機械性能66-69
• 2.3.6 TPU支架的降解性能及細胞相容性69-71
• 2.3.7 結論71
• 2.4 TPU/PLA多孔支架的制備與性能研究71-81
• 2.4.1 概述71-72
• 2.4.2 實驗部分72-74
• 2.4.3 TPU與PLA的相容性分析74-76
• 2.4.4 TPU/PLA支架的結構形態(tài)76-78
• 2.4.5 TPU/PLA支架的機械性能78-79
• 2.4.6 TPU/PLA支架的細胞相容性79-81
• 2.4.7 結論81
• 2.5 微孔注射成型/粒子瀝濾法制備TPU多孔支架81-93
• 2.5.1 概述81-82
• 2.5.2 實驗部分82-84
• 2.5.3 TPU與PVOH的相容性分析84-86
• 2.5.4 工藝參數(shù)對支架泡孔形態(tài)的影響86-89
• 2.5.5 瀝濾效果及支架親水性分析89-91
• 2.5.6 TPU支架的細胞相容性91-93
• 2.5.7 結論93
• 2.6 PCL/CNC復合材料多孔支架的制備及性能研究93-106
• 2.6.1 概述93-94
• 2.6.2 實驗部分94-97
• 2.6.3 PCL與PCL/CNC納米復合材料的成分表征97-99
• 2.6.4 發(fā)泡樣品的泡孔形態(tài)99-101
• 2.6.5 PCL/CNC復合材料的拉伸性能和流變性能101-102
• 2.6.6 PCL/CNC復合材料的的熱性能和結晶性能102-105
• 2.6.7 PCL/CNC支架的細胞相容性105-106
• 2.6.8 結論106
• 2.7 本章小結106-108
• 第三章 靜電紡絲法制備聚氨酯基纖維支架的研究108-162
• 3.1 TPU溶液流變性能及纖維形成機理108-121
• 3.1.1 概述108-109
• 3.1.2 實驗部分109-111
• 3.1.3 TPU紡絲纖維成分分析111-113
• 3.1.4 TPU溶液的流變性能分析113-117
• 3.1.5 TPU紡絲纖維形態(tài)結構117-119
• 3.1.6 TPU纖維形成機理分析119-121
• 3.1.7 結論121
• 3.2 TPU纖維支架的性能及細胞相容性研究121-131
• 3.2.1 概述121-122
• 3.2.2 實驗部分122-124
• 3.2.3 支架材料成分分析124-125
• 3.2.4 制備支架的熱性能、潤濕性及蛋白質(zhì)吸附性125-127
• 3.2.5 支架性能對細胞生長行為的影響127-131
• 3.2.6 結論131
• 3.3 TPU/HA復合纖維支架的制備及干細胞的分化行為131-142
• 3.3.1 概述131-132
• 3.3.2 實驗部分132-134
• 3.3.3 TPU/HA纖維支架成分分析134-136
• 3.3.4 TPU/HA纖維支架形態(tài)及HA分布136-139
• 3.3.5 TPU/HA纖維支架的機械性能及親水性139-140
• 3.3.6 干細胞在TPU/HA纖維支架上的分化行為140-142
• 3.3.7 結論142
• 3.4 TPU基取向纖維支架的制備及溶液性質(zhì)對取向度的影響142-152
• 3.4.1 概述142-144
• 3.4.2 實驗部分144-146
• 3.4.3 紡絲溶液性質(zhì)及支架成分分析146-149
• 3.4.4 平行取向和正交取向支架形態(tài)分析149-151
• 3.4.5 結論151-152
• 3.5 小鼠纖維細胞在取向纖維支架上的生長遷移行為152-161
• 3.5.1 概述152
• 3.5.2 實驗部分152-154
• 3.5.3 小鼠纖維細胞形態(tài)及生長狀況154-158
• 3.5.4 小鼠纖維細胞遷移行為158-160
• 3.5.5 結論160-161
• 3.6 本章小結161-162
• 第四章 熱致相分離法制備聚氨酯復合材料三維多孔支架的研究162-192
• 4.1 TPU/HA骨組織工程支架的制備研究163-171
• 4.1.1 概述163-164
• 4.1.2 實驗部分164-165
• 4.1.3 TPU/HA支架的成分及泡孔形態(tài)165-169
• 4.1.4 TPU/HA支架的機械性能分析169-170
• 4.1.5 小結170-171
• 4.2 TPU/HA支架的仿生礦化性能及細胞相容性研究171-180
• 4.2.1 概述171
• 4.2.2 實驗部分171-173
• 4.2.3 TPU/HA支架的仿生礦化性能173-178
• 4.2.4 TPU/HA支架的細胞相容性178-179
• 4.2.5 結論179-180
• 4.3 TPU/CNT與TPU/NFC支架的制備研究180-190
• 4.3.1 概述180-181
• 4.3.2 實驗部分181-184
• 4.3.3 TPU/CNT與TPU/NFC支架成分及熱性能分析184-186
• 4.3.4 TPU/CNT與TPU/NFC支架的泡孔形態(tài)186-188
• 4.3.5 TPU/CNT與TPU/NFC支架的機械性能及細胞相容性188-190
• 4.3.6 結論190
• 4.4 本章小結190-192
• 第五章 小直徑三層結構血管支架的制備研究192-211
• 5.1 靜電紡絲與熱致相分離法交替使用制備血管支架193-204
• 5.1.1 概述193-194
• 5.1.2 實驗部分194-197
• 5.1.3 血管支架的形態(tài)結構197-200
• 5.1.4 血管支架的機械性能200-202
• 5.1.5 血管支架的細胞相容性202-203
• 5.1.6 結論203-204
• 5.2 靜電紡絲，，蠶絲編織與相分離法結合制備三層結構血管支架204-209
• 5.2.1 概述204
• 5.2.2 實驗部分204-206
• 5.2.3 三層血管支架的形態(tài)結構206-207
• 5.2.4 三層血管支架的機械性能207-208
• 5.2.5 三層血管支架的血管內(nèi)皮細胞相容性208-209
• 5.2.6 結論209
• 5.3 本章小結209-211
• 結論211-213
• 參考文獻213-235
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果235-240
• 致謝240-241
• 附件241

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 鄧愛華;陳愛政;王士斌;王明宗;;超臨界CO_2輔助工藝制備三維組織工程支架的研究進展[J];材料導報;2014年07期

2 何鳳利;何進;尹大川;;靜電紡絲制備組織工程支架的研究進展[J];材料導報;2014年23期

3 方麗茹,翁文劍,沈鴿,韓高榮,Santos JD;骨組織工程支架及生物材料研究[J];生物醫(yī)學工程學雜志;2003年01期

本文編號：654230