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燕山大学学报 2022年第2期46卷 116-122页

作者：任泽宇姜宏石永芳新疆大学机械工程学院新疆乌鲁木齐830047 新疆医科大学医学工程技术学院新疆乌鲁木齐830017

为了解决羟基磷灰石(HA)骨支架降解难的问题,本研究通过在HA骨支架中加入具有良好降解性能的聚左旋乳酸(PLLA)来调节其降解速度。采用3D打印挤出成型设备制备出PLLA/HA复合多孔骨支架,探究不同PLLA质量分数下复合组织工程骨支架抗压强... 详细信息

为了解决羟基磷灰石(HA)骨支架降解难的问题,本研究通过在HA骨支架中加入具有良好降解性能的聚左旋乳酸(PLLA)来调节其降解速度。采用3D打印挤出成型设备制备出PLLA/HA复合多孔骨支架,探究不同PLLA质量分数下复合组织工程骨支架抗压强度、亲水性、降解率以及细胞毒性的变化。实验结果表明:五组不同材料配比的复合骨支架中,PLLA质量分数为50%的支架亲水性及抗压强度最好,且抗压强度大于人体松质骨最低承载要求的2.5 MPa。体外模拟降解10周后,骨支架的降解失重率随PLLA质量分数的提高而加快,降解液的pH值为7.3~7.5,呈弱碱性;体外细胞毒性实验中细胞生长良好。表明通过改变骨支架中PLLA的质量分数,能够实现对支架降解速率的调节,当骨支架中PLLA质量分数为50%时,支架降解速率最快,且机械性能和生物安全性能良好,对改性组织工程骨支架的降解性能调节研究具有借鉴意义。

关键词： 3D打印组织工程骨支架聚左旋乳酸纳米羟基磷灰石降解速率细胞毒性实验

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超声处理对组织工程骨支架性能的影响

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机械设计与制造 2020年第11期 98-101页

作者：刘阳许燕周建平张钟毓新疆大学机械工程学院新疆乌鲁木齐830046 西安交通大学机械工程学院陕西西安710049

为改善组织工程骨支架机械性能、表面孔隙形貌及内部微观颗粒结构,利用自行研制机械式挤出3D打印装置制备PVA/SF/HA复合材料组织工程骨支架,通过超声波处理以达到对组织工程骨支架的改性。探究在频率40kHz,功率为70W,处理时长为90s、280... 详细信息

为改善组织工程骨支架机械性能、表面孔隙形貌及内部微观颗粒结构,利用自行研制机械式挤出3D打印装置制备PVA/SF/HA复合材料组织工程骨支架,通过超声波处理以达到对组织工程骨支架的改性。探究在频率40kHz,功率为70W,处理时长为90s、280s、480s的三种不同情况下,通过进行SEM、XRD、FT-IR和力学实验测试来表征样品。结果表明:经超声波处理过的支架,其抗压缩和抗剪切性能均有较为明显的提高,表面孔隙形貌和微观颗粒结构也都有显著改善,并且随超声波处理时间的增加,力学性能和表面形貌的改善越明显。

关键词： 3D打印超声波处理组织工程骨支架 SEM XRD

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负载利福平GO/SF微球的组织工程骨支架制备及释药特性研究

负载利福平GO/SF微球的组织工程骨支架制备及释药特性研究

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作者：熊莹新疆大学

学位级别：硕士

骨结核疾病,是结核杆菌以血液传播为主侵入骨或者关节组织所引起的破坏性病变。临床上针对需“取骨重建”骨结核疾病的治疗,普遍采用手术清除病灶,再进行缺损骨组织的填充,最后配合在病灶放置或长期口服抗结核药物的治疗手段。常用的骨... 详细信息

骨结核疾病,是结核杆菌以血液传播为主侵入骨或者关节组织所引起的破坏性病变。临床上针对需“取骨重建”骨结核疾病的治疗,普遍采用手术清除病灶,再进行缺损骨组织的填充,最后配合在病灶放置或长期口服抗结核药物的治疗手段。常用的骨缺损填充材料,如自体骨、异体骨等,仅起支撑作用,无法诱新组织的重建;而放置抗结核药物于病灶的方法,不能保证药物长期有效的浓度,需多次手术用药,加大了病人的治疗痛苦;口服用药也难以保证到达病灶区的药物浓度满足最佳抑菌浓度,长此以往会给其他正常器官带来严重的毒副作用。为解决以上问题,本研究将性能优异的药物缓释微球与组织工程骨支架材料相结合,通过3D打印技术制备具有药物缓释性能的微球-支架复合体,使该体系在填充、修复骨缺损的同时实现抗结核药物持续、稳定的释放。本研究包含以下三部分:首先,以GO含量、药载比、有机溶剂占比等为主要因素,设置不同水平,通过单一因素试验结合混合水平正交试验,以电镜扫描、粒径表征、载药率、包封率等相关实验结果为评断依据,最终得出载药量最高组别微球的制备工艺参数,该组微球载药量为12.3%,包封率为65%,一周内的微球中的药物累计释放量在80%左右,符合药物缓释微球的药物释放的规律;其次制备不同浓度GO/PVA复合凝胶,并与纳米羟基磷灰石(nHA)进行不同比例的复合,得到不同组别的支架复合材料,利用电镜扫描、红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)及力学性能等测试结果,对不同配比支架材料的性能进行表征,最终确定n HA:0.1%GO/PVA=1g:1.5ml时,复合材料的力学性能最优且满足生物安全性要求;最后,参考抗结核药物利福平(RFP)的最低抑菌及杀菌浓度,根据前两部分得到的试验结果,通过计算确定支架所载微球、药物及支架各材料间的用量,利用3D打印技术制备负载利福平GO/SF微球的组织工程骨支架。并通过生物体外降解及药物缓释实验对支架的降解、缓释性能进行评判,为此类药物缓释体系的临床应用提供有效实验基础及支撑。

关键词：骨缺损药物缓释微球支架材料 3D打印组织工程骨支架

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组织工程骨支架内部微孔结构流场特性分析

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机械工程学报 2018年第20期54卷 71-80页

作者：杨立军张佳王哲闫程程陕西科技大学生物材料与仿生制造研究所

组织工程骨支架内部微孔结构对于营养液的渗入和细胞的长入有着至关重要的影响,也直接关系到支架是否能够代替缺损部位的骨骼,继续发挥其作用与功能。根据骨骼内部微孔结构的扫描电镜形貌设计三种微孔单胞模型,并利用ADINA有限元分析软... 详细信息

组织工程骨支架内部微孔结构对于营养液的渗入和细胞的长入有着至关重要的影响,也直接关系到支架是否能够代替缺损部位的骨骼,继续发挥其作用与功能。根据骨骼内部微孔结构的扫描电镜形貌设计三种微孔单胞模型,并利用ADINA有限元分析软件对组织工程骨支架微孔单胞模型内营养液的流动性能进行了数值模拟,得到不同类型微孔单胞模型内部流场的压力和速度分布,分析模型参数对营养液平均入口压力和流速的影响规律。结果表明:当营养液从微孔单胞模型的上端流入到下端流出时,最大压力均出现在入口部位且靠近单胞模型壁面处,营养液流速变化趋势是先增大后减少,且最大流速均出现在入口附近。随着连通孔径的增大,平均入口压力值减少,营养液流速值更大,且分布更均匀。对于带孔板-杆单胞和带孔板单胞而言,与连通孔径D相比,中心孔径Ds对平均入口压力和流速的影响很小。通过对比不同类型单胞模型,发现开口杆状单胞模型的平均入口压力更稳定,压力值更小,处于(0.300～0.412)Pa,且营养液流速更大,分布更均匀,且最大流速处于(0.011 8～0.013 1)m/s,更有利于营养液快速均匀渗入和细胞均匀的沉积。所取得的研究结果对组织工程骨支架内部微孔结构的优化设计、后续仿形建模的研究及快速成型制造奠定了基础。

关键词：组织工程骨支架单胞模型流动性能数值模拟

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组织工程骨支架制备及实验工艺参数对成型质量影响研究

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机床与液压 2018年第7期46卷 5-8,71页

作者：赵光元许燕周建平张旭婧徐国强新疆大学机械工程学院新疆乌鲁木齐830046 西安交通大学机械工程学院陕西西安710049 新疆医科大学第一附属医院口腔修复科新疆乌鲁木齐830054

基于活塞挤压沉积成型方式制备组织工程骨支架,能够实现多种材料、速度可控、高精度的制备过程。使用材料为羟基磷灰石(HA)、聚乙烯醇(PVA)及加入适量丝素蛋白(SF),制备确定浓度聚乙烯醇材料,制备时按照HA∶SF为4∶1比例加入丝素蛋白,... 详细信息

基于活塞挤压沉积成型方式制备组织工程骨支架,能够实现多种材料、速度可控、高精度的制备过程。使用材料为羟基磷灰石(HA)、聚乙烯醇(PVA)及加入适量丝素蛋白(SF),制备确定浓度聚乙烯醇材料,制备时按照HA∶SF为4∶1比例加入丝素蛋白,提高骨支架生物相容性。分析活塞运动速度、喷嘴挤出速度及运动平台速度的相互匹配,喷嘴距离运动平台高度,羟基磷灰石(HA)、聚乙烯醇(PVA)和丝素蛋白(SF)的配比等一系列工艺参数对于骨支架成型质量的影响。通过实验验证,解决了成形过程中成型材料堆积、呈螺旋状、拉丝及断丝问题,通过合理配比,在成型过程中不会出现丝材表面裂纹及材料坍塌现象。

关键词：组织工程骨支架羟基磷灰石活塞挤压沉积成型丝素蛋白工艺参数

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组织工程骨支架微介宏观多尺度分析及制备工艺研究

组织工程骨支架微介宏观多尺度分析及制备工艺研究

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作者：赵光元新疆大学

学位级别：硕士

本文应用活塞式沉积挤出快速成型技术制备组织工程骨支架,由于材料混合种类影响骨支架力学性能,并且骨支架制备过程中工艺参数设置需要经过大量实验,为了能够完善组织工程骨支架控形控性制备,减少实验过程中材料多样性的实验量,避免制... 详细信息

本文应用活塞式沉积挤出快速成型技术制备组织工程骨支架,由于材料混合种类影响骨支架力学性能,并且骨支架制备过程中工艺参数设置需要经过大量实验,为了能够完善组织工程骨支架控形控性制备,减少实验过程中材料多样性的实验量,避免制备过程中参数设置的随机性,本文通过微介宏观多尺度模拟分析研究,模拟计算混合材料力学性能参数及流体分布状态,为骨支架制备优化提供理论基础。本文骨支架的制备主要应用生物材料羟基磷灰石、聚乙烯醇和丝素蛋白。在微介观层面,通过分子动力学模拟软件Materials Studio模拟计算聚乙烯醇/羟基磷灰石/丝素蛋白的力学性能参数,证明三者相互作用具有良好黏结性,混合材料力学性能能够满足骨组织要求,同时通过模拟分析的方式证明其他多种材料混合力学性能的可行性,从而减少实验过程中材料多样性的实验量。在宏观层面,通过FLUENT软件对单轴和同轴流道模拟分析的方式,考虑流体存在的胀大效应,模拟计算流体分布状态,分析不同温度、速度下流道内流体分布状态,通过制备参数模拟计算,实现喷头装置速度与运动平台速度的相互匹配,制备出丝材整齐、孔隙可控的骨支架。3D打印装置进行改进,喷头装置的优化,加热装置和制冷装置的添加,为保证支架成型质量,针对羟基磷灰石、聚乙烯醇和丝素蛋白三种生物材料,分析材料粘度、胀大效应、不同混合比例及制备过程中打印高度、速度、温度对于支架成型的影响,选择出最佳制备参数,高效完成骨支架制备。最后对支架进行材料性能及生物性能分析,证明支架力学性能、孔隙率满足骨骼要求,植入新西兰大白兔体内12周后,观察到生物材料骨支架的制备有效促进骨骼损伤部位的生长。

关键词：快速成型技术组织工程骨支架分子动力学模拟流体分析材料性能生物性能

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3D同轴打印组织工程骨支架成型工艺与实验研究

3D同轴打印组织工程骨支架成型工艺与实验研究

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作者：张旭婧新疆大学

学位级别：硕士

针对由结核杆菌侵入骨骼或关节引起的骨结核病变,为提高病灶区域的药物利用度,达到高效治疗骨结核病及快速修复骨缺损并进的双重目的,将快速成形技术(RP)、组织工程技术(TE)与生物载药相结合,构建以组织工程骨支架为基础的植入式载药缓... 详细信息

针对由结核杆菌侵入骨骼或关节引起的骨结核病变,为提高病灶区域的药物利用度,达到高效治疗骨结核病及快速修复骨缺损并进的双重目的,将快速成形技术(RP)、组织工程技术(TE)与生物载药相结合,构建以组织工程骨支架为基础的植入式载药缓释系统。为实现骨结核病药物缓释治疗兼具个性化骨缺损修复提供了全新的思路和有效的方法。本学位论文以同轴复合材料组织工程骨支架的材料选择与同轴结构构建为关键出发点,构建同轴3D打印试验平台与设计同轴喷头挤出装置,研究丝素蛋白(SF)与聚乙烯醇(PVA)的最优配比制备SF/PVA复合水凝胶,并与羟基磷灰石(HA)混合制备SF/PVA/HA复合材料作为同轴支架的内芯增韧材料,同时选用PVA/HA复合材料作为同轴支架的壳层材料。采用机械式同轴挤出快速成形技术制备同轴支架,分析同轴支架打印过程的各工艺参数,研究材料调配比例、同轴喷头比例、扫描速度、挤出速度等因素对同轴支架成形精度的影响,优化关键工艺参数值,制备多种材料复合、宏观形貌良好、孔隙结构均匀且丝材同轴度高的同轴复合材料组织工程骨支架。针对成形支架的成骨潜能、生物相容性进行了细胞毒性实验,证明了本文研究结果的可行性和有效性,并通过成形支架的体外降解实验及动物回植实验验证了支架的降解速率及成骨效能,为以组织工程骨支架为基础的植入式载药缓释系统的研究和应用提供了一定的实验依据。

关键词：机械式同轴挤出沉积成型组织工程骨支架丝素蛋白羟基磷灰石

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瓦楞状组织工程骨支架对种子细胞接种和成骨的影响

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中国组织工程研究 2014年第25期18卷 3953-3960页

作者：曾宪利杨春露李江徐湲王硕吴鹏王翠芳丁艳丽郑新丽沈阳医学院附属中心医院、辽宁省手外科组织工程实验室辽宁省沈阳市110024 武警辽宁省总队医院骨科辽宁省沈阳市110034 沈阳医学院科学实验中心辽宁省沈阳市110034

背景:不同形状工程骨支架负载种子细胞修复骨缺损的研究效果评价不一,而负载细胞数量的多少是影响疗效的重要因素之一,目前该方面研究证据不多。目的:自制瓦楞状组织工程骨支架和其他3种形状的支架,比较4种不同形状支架负载种子细胞的数... 详细信息

背景:不同形状工程骨支架负载种子细胞修复骨缺损的研究效果评价不一,而负载细胞数量的多少是影响疗效的重要因素之一,目前该方面研究证据不多。目的:自制瓦楞状组织工程骨支架和其他3种形状的支架,比较4种不同形状支架负载种子细胞的数量,以及瓦楞状组织工程骨支架体内成骨时凹槽的优势及特点。方法:①体外实验:将体积和样本数相同的4组支架分为单纯瓦楞状支架组、无瓦楞支架组、圆柱状支架组和带中空管柱状支架组,分别以相同密度、相同容积的成骨诱导兔骨髓间充质干细胞悬液接种于支架表面,孵育、培养、消化、收集,进行细胞计数、吸光度值检测以及碱性磷酸酶和茜素红染色。②体内实验:将兔随机分为重组人骨形态发生蛋白2/瓦楞状自固化磷酸钙人工骨组,瓦楞状自固化磷酸钙人工骨组和松质骨组,将体积相同的3组支架植入兔L_(5-6)两侧横突间,植入后4,8,12周行大体、组织学观察。结果与结论:体外实验显示,瓦楞状工程骨支架上滴注的细胞液能充分停留在表面,由于表面瓦楞状凹槽和液体的表面张力以及支架本身的无孔隙性使得细胞液不向培养皿流失,每个样本平均消化下来的正常形态的细胞数量高于其他3组(P<0.05),吸光度值差异无显著性意义(P>0.05)。体内实验显示,各时间点重组人骨形态发生蛋白2/瓦楞状自固化磷酸钙人工骨组的成骨量比瓦楞状自固化磷酸钙人工骨组明显多(P<0.05),与松质骨组之间比较差异无显著性意义(P>0.05)。结果证实,实验自制的瓦楞状工程骨支架的形状特点有利于种子细胞负载,从数量上保证了接种种子细胞的有效性,可促进支架大量成骨和段状骨缺损的愈合。

关键词：生物材料骨生物材料瓦楞状骨组织构建自固化磷酸钙人工骨重组人骨形态发生蛋白2 凹槽组织工程骨支架骨髓间充质干细胞接种静态接种法成骨兔

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3D打印复合PVA骨组织工程支架研究现状

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口腔疾病防治 2020年第1期28卷 52-55页

作者：刘小元张凯韩祥祯左新慧李君何惠宇新疆医科大学第一附属医院(附属口腔医院)口腔修复科·新疆维吾尔自治区口腔医学研究所

3D打印复合多孔性骨组织工程支架已成为研究热点。复合聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)具备良好生物相容性及可降解性能,但因不能抵抗较大机械抗力,不能单独制备支架,复合其他机械性能佳及生物相容性良好的材料,可表现出良好的生物相... 详细信息

3D打印复合多孔性骨组织工程支架已成为研究热点。复合聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)具备良好生物相容性及可降解性能,但因不能抵抗较大机械抗力,不能单独制备支架,复合其他机械性能佳及生物相容性良好的材料,可表现出良好的生物相容性、可降解性及机械性能等优点,因此3D打印复合PVA支架材料可以优化PVA支架的性能,本文从3D打印骨组织工程支架技术、PVA、复合PVA支架在体内外骨形成效果等方面作一综述。

关键词：骨缺损 3D打印光固化成型选择性激光烧结熔融层积成型喷墨印刷生物墨水组织工程骨支架聚乙烯醇骨形成

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3D打印PLA-nHA-nMgO复合多孔支架的性能研究

3D打印PLA-nHA-nMgO复合多孔支架的性能研究

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作者：徐典青岛大学

学位级别：硕士

目的:采用3D打印技术构建掺入纳米氧化镁(n Mg O)和纳米羟基磷灰石(n HA)的聚乳酸(PLA)复合多孔支架,探讨新型复合支架的力学性能、降解特性、亲水性、生物相容性及成骨活性等特性,旨在为各类颌骨骨缺损的修复重建提供个性化、新型的骨... 详细信息

目的:采用3D打印技术构建掺入纳米氧化镁(n Mg O)和纳米羟基磷灰石(n HA)的聚乳酸(PLA)复合多孔支架,探讨新型复合支架的力学性能、降解特性、亲水性、生物相容性及成骨活性等特性,旨在为各类颌骨骨缺损的修复重建提供个性化、新型的骨替代材料。方法:第一部分实验为复合多孔支架的制备,将PLA、n HA和n Mg O按照事先设置好的配比混合,然后通过分散、震荡、研磨等方法制备出复合支架的混合原材料。将打印原材料添加至预先设置好参数和建模图的3D打印机中,利用融熔沉积法制备出掺入n HA和n Mg O的个性化复合多孔支架。第二部分实验为复合多孔支架的性能研究。用扫描电子显微镜(SEM)观察支架的微观结构特征,通过水接触角测量仪检测复合支架的亲水性。用万能力学试验机检测各组支架的抗压性能,绘制并分析材料的应力-应变曲线。将支架在磷酸盐缓冲溶液(PBS)和模拟体液(SBF)中浸泡若干天,分别观察支架随时间的重量损耗及模拟体液的酸碱度变化。在体外培养小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-e1),并使用复合支架的浸取液和该细胞进行共培养,之后利用CCK-8法和免疫荧光染色法验证材料的生物相容性。最后将细胞培养基替换为成骨诱导培养基,通过碱性磷酸酶(ALP)染色实验和茜素红染色实验来验证复合支架的成骨活性。结果:按预先设置的参数打印出的PLA-n HA-n Mg O复合多孔支架表面呈现密集排列的微孔,微孔为边长500μm的正方形,微孔的间距为250μm。在扫描电子显微镜下可以观察到掺入纳米颗粒的复合支架成型效果较单纯PLA支架有明显改善,而掺入n HA和n Mg O两种纳米颗粒的支架的成型效果优于单纯掺入n HA的支架,EDS检测出两种纳米颗粒均匀的掺入支架之中,且复合支架的亲水性有明显的改善。通过对支架应力-应变曲线的分析可以得出,掺入n HA和n Mg O两种纳米颗粒支架的抗压强度得到了改善,其中n Mg O质量分数为3%的复合支架抗压强度最佳。掺入n Mg O的复合支架在降解实验中表现出前期降解抑制,后期降解加速的特点,而单纯掺入n HA的支架降解速度较PLA支架更缓慢。CCK-8实验和细胞荧光染色实验证实了掺入n Mg O的复合支架既具备良好的生物相容性,又有促进细胞生长的作用。复合支架成骨活性研究表明:n HA和n Mg O具有双向促进MC3T3-e1成骨活性的作用,且当复合支架中n Mg O质量分数为3%时其促进作用最显著。结论:1.基于3D打印技术制备的PLA-n HA-n Mg O复合多孔支架较单纯PLA支架,在可塑性、力学性能、细胞相容性和成骨活性方面都得到了显著的改善。2.复合支架中n Mg O水化作用产生的OH有效中和了PLA支架在人体降解过程的酸性产物,可为细胞生长提供更加有利的p H值环境。

关键词： 3D打印聚乳酸纳米颗粒组织工程骨支架成骨活性

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