基于三维打印的组织工程支架成型工艺及其性能研究

索取号：密级：硕士学

位论文

基于三维打印的组织

工程支架成型工艺及其性能研究

研究生

指导教师

培养单位

一级学科

二级学科

完成时间

答辩时间:::::::姜杰杨继全朱莉娅电气与自动化工程学院电气工程电工理论与新技术2016年2月29日2016年5月6日

学位论文独创性声明

本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。

学位论文作者签名：日期：

学位论文使用授权声明

研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属南京师范大学。学校有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以采用影印、复印等手段保存、汇编本学位论文。学校可以向国家有关机关或机构送交论文的电子和纸质文档，允许论文被查阅和借阅。（保密论文在解密后遵守此规定）保密论文注释：本学位论文属于保密论文，密级：

密期限为年。保

学位论文作者签名：

日期：指导教师签名：日期：

摘要

摘要

组织工程学是一门涉及生命科学、工程学和材料学等多领域的新兴学科。组织工程支架作为组织工程的载体，为细胞的生长提供了新陈代谢的环境，同时决定了新生组织和器官的大小和形状，是组织工程领域的研究热点。传统组织工程支架制备方法存在孔隙率可控性差、支架孔的贯通性低、孔分布不均匀等问题。三维打印技术作为一种新兴的组织工程支架制备方法，可以实现任意复杂结构、个性化支架的快速成型，同时避免传统制备方法所存在的各种问题，具有很大的应用前景。

本文首先介绍了组织工程支架的传统制备方法以及基于三维打印的快速成型制备方法，并在分析组织工程支架的性能要求的基础上，确定了基于压电微滴喷射和光固化气动挤出两种方式，实现组织工程支架的快速成型。其次，简述了压电微滴喷射和光固化成型的基本原理，再分别选用合适的成型材料、设计合理的实验方法、确定工艺参数和材料成分、分析各参数对支架成型情况的影响，并成功制备出了结构完整的组织工程支架。最后，对两种成型方式制备支架的性能进行测试，包括微观形貌测试、孔隙率测试、吸水率测试和降解性能测试。测试结果表明，压电微滴喷射和光固化气动挤出技术均制备出了高孔隙率、高吸水性和良好生物相容性的组织工程支架。

本文研究内容具有一定的组织工程应用价值，为进一步研究组织修复、重建、再生奠定了基础。

关键词：三维打印，组织工程支架，压电微滴喷射，气动挤出，光固化

Abstract

Abstract

Tissueengineeringisanemergingdisciplineinvolvinglifesciences,engineeringandmaterialsscienceandotherfields.Asacarrierfortissueengineering,tissueengineeringscaffoldprovidesametabolicenvironmentforcellgrowthanddeterminesthesizeandshapeofregeneratedtissueandorgans,whichhasbecomeahottopicinthefieldoftissueengineering.Itiswellknownthattraditionalmethodsusedforpreparingtissueengineeringscaffoldmayleadtosomeproblem,suchaspoorcontrollabilityofporosity,lowpenetrationofscaffoldholes,unevendistributionofholes,etc.Asanewprospectingmethodformanufacturingtissueengineeringscaffold,three-dimensionalprintingtechnologycanrealizepersonalizedcomplexstructurescaffolds,avoidingproblemsinthetraditionalmanufacturingmethods.Ithasgreatprospectsinthepreparationoftissueengineeringscaffold.

Firstly,thisthesisintroducesthetraditionaltissueengineeringscaffoldpreparationmethodsandthenewpreparationmethodsbasedontherapidprototypingtechnology.Onthebasisofanalyzingtheperformancerequirementsoftissueengineeringscaffold,thisthesisselectsthepiezoelectricinkjetprintingandthepneumaticextrusionwithsimultaneousphotocrosslinkingmethodstorealizescaffoldmanufacturing.Secondly,basicprinciplesofthepiezoelectricinkjetprintingandthepneumaticextrusionwithsimultaneousphotocrosslinkingmethodsaregiven.Afterdeterminationofformingmaterials,experimentalprograms,processingparametersandmaterialcompositions,somescaffoldsampleswithintegratedstructurearemanufactured.Finally,experimentstestingtheperformanceofthescaffoldincludingmicrostructure,porosity,waterabsorptionanddegradationarecarriedout.Theexperimentalresultsshowthatbothofthepiezoelectricinkjetprintingandthepneumaticextrusionwithsimultaneousphotocrosslinkingtechnologyhavetheabilityofmakingtissueengineeringscaffoldswithhighporosity,highwaterabsorptionandgoodbiocompatibility.

Inaword,thisthesishasacertainvaluefortissueengineeringapplicationslayingfoundationsforfurtherresearchesontissuerepair,reconstructionandregeneration.

KeyWords:Threedimensionalprinting,Tissueengineeringscaffold,Piezoelectricinkjetprinting,Pneumaticextrusion,photocrosslinking

目录

摘要.................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II第1章绪论..................................................................................................................1

1.1三维打印技术概述.........................................................................................1

1.1.1三维打印技术的原理..........................................................................1

1.1.2三维打印技术的发展..........................................................................2

1.1.3三维打印技术的分类..........................................................................3

1.2组织工程支架制造技术.................................................................................5

1.2.1组织工程支架概述..............................................................................5

1.2.2传统的组织工程支架制备方法..........................................................5

1.2.3基于三维打印的组织工程支架成型技术及研究现状......................7

1.3本文主要研究内容和意义.............................................................................9

1.3.1本文研究意义......................................................................................9

1.3.2本文主要研究内容............................................................................10第2章基于三维打印的组织工程支架设计与制备方法........................................11

2.1组织工程支架结构设计...............................................................................11

2.2组织工程支架材料选择...............................................................................12

2.3组织工程支架三维打印成型方法...............................................................14

2.3.1压电微喷技术....................................................................................15

2.3.2光固化气动挤出技术........................................................................19

2.4本章小结.......................................................................................................21

第3章基于压电微滴喷射的组织工程支架制备....................................................22

3.1压电微滴喷射的基本原理...........................................................................22

3.2基于压电微滴喷射的三维打印系统构成...................................................25

3.3基于压电微滴喷射的组织工程支架制备...................................................28

3.3.1微滴喷射驱动波形............................................................................28

3.3.2微滴喷射参数调试............................................................................30

3.3.3微滴喷射参数对液滴直径的影响....................................................38

3.3.4线型打印............................................................................................39

3.3.5组织工程支架结构打印....................................................................41

3.4本章小结.......................................................................................................43

第4章基于光固化气动挤出的组织工程支架制备................................................44

4.1光固化原理...................................................................................................44

4.1.1紫外光（UV）简介...........................................................................44

4.1.2光固化原理和光引发剂选择............................................................45

4.2基于光固化气动挤出的三维打印成型系统构成.......................................46

4.3气动挤出喷头的仿真与分析.......................................................................47

4.4基于光固化气动挤出的多孔组织工程支架制备.......................................50

4.4.1材料配比............................................................................................50

4.4.2线型打印............................................................................................51

4.4.3试件打印............................................................................................52

4.4.4支架结构打印....................................................................................53

4.5本章小结.......................................................................................................54第5章基于三维打印的组织工程支架性能测试....................................................56

5.1基于三维打印的组织工程支学性能测试...................................................56

5.1.1微观形貌特征....................................................................................56

5.1.2孔隙率测试........................................................................................57

5.1.3吸水率测试........................................................................................58

5.1.4降解性能测试....................................................................................58

5.2本章小结.......................................................................................................59

第6章总结与展望....................................................................................................61

6.1全文总结.......................................................................................................61

6.2研究展望.......................................................................................................61

参考文献......................................................................................................................63

攻读硕士学位期间取得的学术研究成果..................................................................70致谢..............................................................................................................................71

第1章绪论

本文研究的基于三维打印的组织工程支架采用两种成型方式制备，分别为压电微滴喷射和光固化气动挤出成型，采用海藻酸钠水凝胶制备多孔组织工程支架，使打印出的支架具有较高的生物学性能。本章主要介绍三维打印技术及其医学应用、组织工程支架制备方法。

1.1三维打印技术概述

三维打印（ThreeDimensionalPrinting，3DP）技术起源于20世纪80年代末，是计算机辅助设计及制造技术、分层制造技术、逆向工程技术、材料增加成型或材料去除成型技术以及它们的集成，它摆脱了传统加工方式的桎梏，可以直接、快速、精确地将设计者的设计意图转换为具有一定功能的模具或零部件，有效地缩短了新产品的研发与制造周期。三维打印技术综合了机械、电子、计算机、化学、物理、材料等学科，已经广泛应用于工艺设计、家电制造、船舶、航空航天、汽车、医疗、建筑等领域，并且对传统制造业的加工方式产生了深远的影响[1-3]。

1.1.1三维打印技术的原理

三维打印技术经过二十多年的发展，其成型工艺已经基本完善，逐步发展了种类多样、系统稳定可靠的加工工艺与成形系统。

三维打印技术各成型工艺的基本工作原理都是离散/迭加的制造思想[4-6]，以快速实现零件或原型的加工制造。其具体工作流程如下：首先利用三维造型软件（如CATIA、UG、SolidWorks等）或逆向工程技术（三维扫描仪、核磁共振成像MRI、计算机断层扫描CT等）构建三维实体模型，并用该模型生成数字化三维数据模型，然后将该数据模型通过特定软件进行网格化模拟，转换成STL文件；然后利用切片软件将STL文件（一般在Z轴方向）进行分层切片，获得一系列厚度相同的离散平面，再通过上位机把平面信息发送给各成型工艺的成形系统，各成形系统对分层切片后的文件进行验证并生成成型路径；最后，成形系统按照规划好的路径进行堆砌，将成型材料逐层叠加获得三维实体模型，经后处理后得到最终成品[7]，具体过程如图1.1所示。从成型的角度看，零件可以看成是由点、线、面组合而成的一个空间实体，三维打印的成型过程是体—面—点的离散与点—面—体的迭加的过程，即三维数据模型—二维平面（实体）—三维原型的过程[8]。

图1.1三维打印技术工艺流程

三维打印技术与许多传统的加工方法相比，具有以下优越性[1]：

（1）可以加工制造任意复杂形状的零件，而不局限于传统的机械加工方法制造零件过程中刀具不能达到某些特殊型面的情况。

（2）加工制造曲面的过程中，数字化三维数据模型的转化（分层）可以利用数据处理软件完全自动完成，无需人工辅助计算生成工艺数控代码；

（3）任意复杂形状的零件的加工制造都只在一台设备上进行，避免了传统加工过程中刀具安装等生产准备，从而大大缩短了产品开发的周期，提高了加工效率，降低了成本；

（4）加工方式属于非接触式，避免了加工过程中加工部件（刀具、夹具等）的磨损，也不存在加工切削力，不会对零件产生影响；

（5）加工制造过程中振动小，因此产生的噪声极低，材料增加成型的理论上不产生任何废料；

（6）购买三维打印成型装置的成本与数控机床相比较低。

1.1.2三维打印技术的发展

三维打印技术的研究最早开始于二十世纪七十年代，到八十年代末逐渐发展出较为成熟的三维打印设备[9]。

在国外，尤其是欧美地区，三维打印技术的发展极其迅速[10-15]。二十世纪七十年代末到八十年代初，美国3M公司的AlanJ.Hebert（1978年）、日本的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的CharlesW.Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)，在不同的地点各自独立地提出了三维打印的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。CharlesW.Hull在UVP的资助下，完成了第一个能自动制造零件的三维打印系统——StereoLithographyApparatus(SLA)，并在1986年获得专利，这是三维打印发展过程中的一个里程碑，标志着三维打印技术开始从理论阶段进入实用阶段。同年，他创立了世界上第一家三维打印公司——3DSystems。随后，3DSystems公司成功研发出许多其他的三维打印的概念和技术。1984年MichaelFeygin提出了分层实体制造(LaminatedObject

Manufacturing，LOM)方法，并于1985年创立Helisys公司。1988年，美国人ScottCrump提出了一种全新的三维打印技术———熔融沉积制造(FusedDepositionModeling，FDM)，并成立了Stratasys公司。1989年，来自美国德克萨斯大学的

C.R.Deckard教授首次提出了选择性激光烧结法（SelectiveLaserSintering，SLS）。1993年，来自麻省理工学院的EmanuelM.Sachs发明了全新的三维打印技术，并首次提出了三维打印快速成型的思想。自此，三维打印技术进入快速发展阶段，直至目前发展较为出名的三维打印公司有来自美国的Stratasys、3DSystems、ZCorporation，德国的EOS，比利时的Materialise，瑞典的Arcam，以色列的Objet公司等，其中ZCorporation和Objet两个公司已被3DSystems公司收购。

国内三维打印技术的研发较国外相比开始的较晚，最早的研究开始于1991年，经过二十多年的飞速发展，已取得了一定的成果[16-17]，其中较为突出的研发团队有清华大学、华中科技大学、西安交通大学、南京航空航天大学、南京理工大学等，这些机构致力于研究各三维打印工艺及成型装置的研发，取得了较为丰硕的研究成果，已研发出了SLA、FDM、SLS、LOM等工艺的三维打印设备，并投入市场，逐渐实现了商业化，性能方面已接近或达到国际水平，但具有明显的价格优势。

1.1.3三维打印技术的分类

三维打印技术是一种新兴的先进制造技术，随着多年的发展和研究，已产生多种成型工艺与方法，分类方法也多样，可以按照成型材料进行分类，也可按照成型方法进行分类。图1.2为三维打印技术按成型材料分类。

三维打印技术按照成型方法通常可分为两大类[1]：第一类是基于激光或其他光源的三维打印成型技术，如光固化成型（StereoLithographyApparatus，SLA）、选择性激光烧结（SelectedLaserSintering，SLS）、迭层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）、形状沉积制造（ShapeDepositionManufacturing，SDM）等；第二类是基于喷射成型的三维打印技术，如熔融沉积成型（FusedDepositionManufacturing，FDM）、三维打印成型（ThreeDimensionalPrinting，3DP）、冲击微粒制造（BallisticParticleManufacturing，BPM）等，目前发展相对成熟的三维打印技术有FDM、SLS、SLA、LOM和3DP。

图1.2三维打印技术按材料分类

随着三维打印技术的发展和生物制造概念[18]的提出，三维打印技术在医学领域的应用也越来越广泛。目前已应用于医学领域的三维打印技术有以下几种：选择性激光烧结(SelectedLaserSintering，SLS）[19-20]，熔融沉积制造（Fused

[21-23]DepositionModeling，FDM），迭层实体制造(LaminatedObjectManufacturing，

LOM)[24-25]，光固化成型（Stereolithography，SLA）[26-28]，喷墨成型（Inkjet-basedPrinting）[29-31]等。应用于医学领域的三维打印技术的比较[32]如下表1.1所示。

表1.1医学领域三维打印技术比较

工艺

选择性激光烧结

熔融沉积制造

迭层实体制造

光固化成型

喷墨成型分辨率中中低高高成本高低低中低优点成型范围大，材料种类多，强度高成本低，强度高成本低，成型范围大成型范围大成本低，成型速度快，

材料种类多缺点成本高，成型表面质量差成型速度慢材料种类少强度中等强度差

1.2组织工程支架制造技术

1.2.1组织工程支架概述

组织工程学是一门涉及生命科学、工程学和材料学等多领域的新兴学科。美国国家科学基金会在1987年最早提出了组织工程的概念，基本原理是：把种子细胞附着在具有良好生物相容性的生物材料上，通过生长因子的刺激和诱导促进种子细胞的增殖和分化，与此同时，生物材料被逐渐降解和吸收，最终形成具有一定功能形态的相应组织和器官，实现组织修复、重建、再生的目标[33]。组织工程的三要素是种子细胞、生长因子和支架。

组织工程支架是组织工程的载体，为细胞的生长提供了新陈代谢的环境，同时决定了新生组织和器官的大小和形状[34]。支架在组织工程中起到的主要作用如下：

（1）支架的尺寸和结构决定了再生组织的尺寸和结构，支架是连接细胞和组织的桥梁，引导细胞向预定组织形态再生和成长；

（2）支架是生长因子和细胞的载体，将细胞运送到缺损部位，作为缓释体缓慢释放生长因子的刺激和诱导作用，给新生组织提供了一个赖以生存的空间；

（3）支架起到支撑作用，具有一定的力学性能，抵挡外界压力的同时能够保持组织的特定形状和完整性；

（4）支架是细胞分化、繁殖和新陈代谢的场所，为细胞分化、繁殖和生长提供营养输送的渠道和排除废物的通道。

为了实现以上作用，组织工程支架必须满足以下几点[35]：①支架需为可控的多孔结构，具有较高的孔隙率，为细胞生长、营养物质的输送和废弃物的代谢提供通道；②支架必须具有良好的生物相容性和降解能力，满足支架的降解速度和细胞再生组织的速度相匹配；③支架的结构和表面性能要利于细胞的粘附、增殖、分化和生长；④具有良好的力学性能和生物学性能。

1.2.2传统的组织工程支架制备方法

组织工程支架是一种具有较小孔隙（尺寸一般为200～500um）和较高孔隙率的多孔三维结构体，孔与孔之间保持相互贯通，确保细胞和生长因子能够进入支架结构的内部，保证营养物质的传输和废物的代谢，促进细胞的生长和繁殖。组织工程支架的传统制备方法有很多，包括纤维编织法、冷冻干燥法、微球烧结法、气体发泡发、相分离法、熔融模注法、浸浆法、溶液浇注法、致孔剂法等，以下分别介绍几种多孔组织工程支架的传统制备方法：

（1）纤维编织法[36]

纤维编织法的一般材料选择为PLLA（聚乳酸）、PGA（聚羟基乙酸）等天

然高分子材料，制备方法是直接把直径为10～16um的PLLA和PGA纤维编织成三维联通的纤维网。目前应用较多的是将两种纤维无序放置制备而成的无纺网，它具有不均匀的微孔、较大的表面积和较高的孔隙率，但支架的机械性能较差，强度、刚度都较低，容易产生变形，导致细胞损伤。

（2）相分离法[37]

相分离法包括两种方法，一种方法是液—液相分离法，利用的是溶剂的潜在热能导致相分离；另一种方法是乳化/冷冻干燥法，先将溶质聚乳酸溶于溶剂二氯甲烷后，加入蒸馏水乳化，浇注到模具后低温冷却，成型后蒸发掉水分和溶剂得到支架结构。该技术制备的支架结构能达到高达95%的孔隙率，缺点是孔的直径较小，不利于细胞在支架上的粘附和增殖。由于相分离的条件难以控制，因此该技术的控制方法困难，实现的难度较高。

（3）气体发泡法[38]

气体发泡法是利用二氧化碳气体作为致孔剂，在支架制备过程中不需要有机溶剂，利用高压使气体发泡，从而形成多孔支架结构。该方法制备的组织工程支架孔隙率最高可达93%，而且避免了高温处理的影响，有利于生长因子在支架中的扩散，但该方法的设备要求较高，气体发泡形成的气孔结构不易控制，容易产生封闭的气孔，不利于细胞的生长、营养物质的传输和废物的代谢。

（4）熔融模注法[39]

这种方法不需要加入有机溶剂，将材料和制孔剂加入一定形状的模具中，通过加热和增大压力的方式使支架材料相互粘结。冷却之后，将从模具中取出的粘结结构进入水中，过滤掉制孔剂，最终获得组织工程支架结构。熔融铸模法的优点是不需使用有机溶剂，可以预先设计支架结构的模具以得到一定的孔径和孔隙率，缺点是支架制造过程中需要加热，高温容易引起支架材料的热降解，除此之外，制孔剂密度与支架材料密度相差比较大，混合不均匀会导致支架微孔分布不均匀。

（5）制孔剂法[40]

制孔剂法是传统制备组织工程支架常用的一种方法。该方法利用可溶性制孔剂制造支架孔和通道，常用的可溶性制孔剂有蔗糖颗粒、食盐颗粒等。该方法的具体制备过程是先把支架材料荣誉易挥发的有机溶剂中，然后将混合溶液加入预先设计制作好的具有一定形状、填满制孔剂的支架模具中，溶剂经过一段时间的挥发后，可得支架材料和制孔剂的混合物，将制孔剂通过一定方法去除后即可制备相应支架结构。该方法的缺点是需要有机溶剂，而有机溶剂的残留不利于细胞的生长，并且该方法制备支架的时间较长，同时为了将支架心部的制孔剂完全清除，该方法只适用于较薄支架的制备。