增等材微纳复合成型技术及其在软组织缺损修复中的应用研究

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随着社会不断进步和国民经济的快速发展,人们对提高生活水平和生活质量的愿望越发强烈,在此背景下组织器官缺损修复需求日益受到关注。事实上,交通事故、极端作业、重慢性疾病如心脑血管疾病、肿瘤等都会导致器官缺损,这已成为临床治疗中的重要内容之一,而且该领域的重视度和临床需求还在随着社会老龄化程度的加剧在日益凸显。组织工程与再生医学作为体外构建人工组织器官的理论基础,其技术内涵已经不断在朝着多学科交叉的方向在衍生和扩展。将组织工程、生物材料、先进制造技术进行交叉融合形成的生物制造这一全新技术领域目前已经在体外构建人工组织器官方面展示巨大发展潜力,其中涵盖的代表性先进制造技术主要包括增材制造、微纳制造、静电纺丝等技术,而且由于天然组织都具有独特的各向异性纤维结构和微纳拓扑结构,内部组分也异常丰富,单一制造技术往往很难实现多材料的跨尺度可控成型,因此越来越多的研究开始关注将多种工艺进行复合,来进行人工器官修复材料的制备。在此背景下,本文从软组织修复的共性问题出发,提出将材料改性、静电直写、静电纺丝、微压印等多种技术的特点进行综合,创新性的提出了一种增等材微纳复合成型技术,重点研究了保证成型质量的工艺参数设计与优化方法,搭建了能够实现所提出的复合成型工艺的系统平台,在此基础上探索了小口径人工血管、以及用于眼底病变导致组织缺损的修复支架的制备工作,分别通过细胞接种试验、力学性能表征等试验验证了构建的样本的可行性和有效性。本文具体取得的研究成果主要包括:1)从软组织修复的共性问题出发,创新性提出了一种将微压印、静电直写、静电纺丝、材料表面改性多种技术特点进行结合的增等材微纳复合成型工艺。其中微压印技术特点能有效保证薄壁结构的力学性能,静电直写可以在薄壁结构上形成可控的仿生微结构,静电纺丝与材料表面改性技术则可在进行薄壁结构的三维管状塑形时达到封装和生物性能优化的作用,这些技术特点对于满足软组织仿生构建中有关力学和结构仿生方面都显示出独特优势。2)针对上述提出的增等材微纳复合成型工艺,研究开发了相应的生物制造系统平台,包括电液动力打印模块、可控温度梯度的压印模块,并且研究了人机交互界面设计和多模块协同的方法,影响最终样本制备性能的关键工艺参数设计与优化的方法,开展了样本制备的试验验证。3)针对小口径人工血管的构建需求(直径小于6mm、管壁壁厚300-500μm、管壁包含典型三层结构),结合上述提出的复合成型工艺,进一步从材料的温敏属性出发,提出通过毫米级管状模具将复合成型的薄膜可控卷曲成管状,并采用静电纺丝进行包封,最终获得小口径人工血管样本的成型工艺,在此基础上重点研究了材料表面改性、静电直写微结构,对最终形成的血管内壁引导内皮细胞生长的影响规律;通过力学性能表征,二维薄壁结构以及三维塑形成管材后的力学性能,进一步分析和验证了提出的成型工艺和技术在构建小口径人工血管方面的可行性。4)从人眼底视网膜色素上皮(RPE)病变的修复支架的结构需求(厚度6μm、尺寸3.5mm*6mm、薄膜上布满30μm的非通孔孔洞结构)以及微创递送需要的力学性能出发,提出在上述复合成型工艺思路基础上进一步结合光刻技术和翻模技术,来制备获得眼底RPE修复支架的表面微观结构,同时考虑细胞生物相容性,给出了支架表面改性的方法,最后用试验验证了制备的样本的性能以及提出的工艺的可行性。
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