论文总字数：17870字

摘 要

本毕业设计制备了清蛋白-海藻酸钠复合水凝胶，通过正交试验筛选出较为合适的材料配比并研究了不同配比下复合水凝胶的理化性能和生物活性，将其用于挤压式3D打印。实验结果表明：在清蛋白-海藻酸钠的质量比为1:1附近时，复合水凝胶材料的打印性能较好，能避免喷头堵塞或材料从喷嘴滴落等问题。整体来看此种材料具有较好的理化性能，通过改变两者的配比可调整材料的溶胀性能、孔隙率等以适应其应用条件。采用扫描电子显微镜（SEM）分析冷冻凝胶的表面形态和孔径分布。进行了FTIR分析以分析材料的反应结构。测量吸水能力和孔隙率以分析冷冻凝胶的生物物理特征。用复合水凝胶打印出的产品做生物毒性实验后，证明该材料对细胞不具有毒性，数据显示该材料是可用于生物医疗的可降解性材料。本毕业设计中实验所得结果对于3D打印式生物医用材料有重要意义，进一步研究可使用同轴打印技术，为神经导管修复所用。

关键词：3D打印；快速成型；生物医用；海藻酸钠；同轴打印

Abstract

In this graduation project, an albumin-sodium alginate composite hydrogel was prepared, and a more suitable material ratio was selected through orthogonal experiments. The physical and chemical properties and biological activity of the composite hydrogel under different ratios were studied. Extruded 3D printing. The experimental results show that when the mass ratio of albumin-sodium alginate is near 1: 1, the printing performance of the composite hydrogel material is better, and problems such as nozzle clogging or material dripping from the nozzle can be avoided. On the whole, this material has good physical and chemical properties. By changing the ratio of the two, the swelling properties and porosity of the material can be adjusted to suit its application conditions. Scanning electron microscope (SEM) was used to analyze the surface morphology and pore size distribution of the frozen gel. FTIR analysis was performed to analyze the reaction structure of the material. The water absorption capacity and porosity were measured to analyze the biophysical characteristics of the frozen gel. The biotoxicity test of the product printed with the composite hydrogel proved that the material is not toxic to cells. The data shows that the material is a degradable material that can be used in biomedicine. The experimental results in this graduation design are of great significance for 3D printed biomedical materials. Further research can use coaxial printing technology for neural catheter repair.

Key Words：3D printing; rapid prototyping; biomedical; sodium alginate; coaxial printing

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

第2章 海藻酸钠3D打印用材料研究目的与内容 2

2.1 海藻酸钠复合材料体系 2

2.2生物3D打印组织的构建及应用 3

第3章 清蛋白-海藻酸钠复合材料制备与筛选 4

3.1 实验材料与设备 4

3.1.1实验材料 4

3.1.2实验仪器 4

3.2清蛋白-海藻酸钠复合材料制备 5

3.2.1复合材料制备方法 5

3.2.2 材料筛选——正交试验 6

第4章 清蛋白-海藻酸钠复合材料测试与分析 9

4.1力学性能分析 9

4.2扫描电镜（SEM）形貌分析 9

4.3孔隙率分析 10

4.4溶胀分析 11

4.5红外光谱分析 13

4.6体外可降解性能分析 13

4.7细胞毒性分析 14

第5章 结论 17

参考文献 18

致 谢 20

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

在临床医学中，神经损伤是使得临床医生和患者都面临的很大的问题，这一类疾病带来的健康问题会对个人、家庭和社会产生巨大影响，解决此类问题，生物医用材料学者责无旁贷。近些年的研究表明，干细胞移植对于神经修复有较大的潜力。但是干细胞疗法也存在有一些问题，例如细胞注射时会严重流失、干细胞的分化具有不可预知性、医用材料不适用于细胞的生长及迁移等问题。

3D打印技术是一种基于实物状态的电脑三维模型文件，利用三轴或以上的打印或喷涂装置再将电脑数字模型转换为实物，通过某一方向（一般为z轴）逐层打印生产产品的技术，这种技术适用于生产在机床或精密制造仪器中难于加工制造的工程或医用机械。因此，将3D打印技术引入神经修复领域，使用干细胞修复法辅助以3D打印技术，能够控制最终形成的神经组织，促进神经的修复^[1]。

1.1.2研究意义

随着材料技术和装备技术的发展得到逐步提升，如今可通过制备具有生物活性的材料制作出形状各异、内部孔状结构和大小可控的功能结构体，在临床医学上组织工程的研究中得到了广泛应用。目前生物组织工程上主要有3种3D打印技术可直接构建类血管结构，分别是激光辅助式（SLS）、喷墨式、挤出式（FDM）^[2]。激光辅助由于打印技术过程中会释放大量的热量和能量，对组织细胞产生破坏性影响，造成一定损伤；另一种喷墨式打印技术在空间结构塑型的能力上较弱。因此，挤压成型式打印技术被视为打印负载细胞材料的较好选择，可广泛的应用于人体组织修复和神经修复。这种技术方法原理非常简单，即在生理条件下通过纯力学的推进可控制地将材料从喷口或针头挤压出来，在挤出的同时进行交联处理。

3D挤压成型生物打印技术生产原理简单，过程可控，产能较少，不仅可通过快速成型个性化地制造器官支架，而且可使细胞可控地分布于支架中，更加精确地构建符合生理空间的含细胞组织。其基本思想为先构建一个具有外形的可降解的多孔支架，然后将细胞附在支架表面，这也就是传统的基于支架的生物制造方法。通过前期探索，构建细胞与复合材料相互作用的生物医用材料，制备打印精度微纳米级别的材料目前仍在探索和研究阶段。随着这些问题的深入探讨和逐步解决，3D生物打印有望在未来成为组织工程学中的新的构建方法。

构件类神经或类血管组织结构所选用的材料是重中之重，会影响到材料的各方面性能。胶原蛋白的生物相容性最高，但是这种蛋白质的力学性能与打印性能均较差；明胶为胶原的降解产物，可通过化学改性得到光固化明胶（GelMA）；而研究表明海藻酸钠是从海藻中分离的多糖聚合物，生物相容性与机械强度较高。另外海藻酸钠具备快速离子交联特性，常在同轴打印技术中用于构建中空纤维结构^[3]。本研究中，使用海藻酸钠与清蛋白进行复合，通过调整两者比例来进行该种3D打印材料的性能的研究与优化。将清蛋白溶液加入海藻酸钠中，既有利于细胞的生长，也能适当改善打印产品的力学性能。

1.2国内外研究现状

3D 打印生物可降解支架具有良好的生物相容性和完全可降解性，得到了广泛关注和研究。近年来，3D打印技术凭借其“增材制造”的独特优势，在生物医疗器械个性化制造方面优势明显。广泛应用得了领域有心血管组织、骨组织以及器官再造。心血管方面有利用3D生物打印技术制备的可移植用心脏瓣膜的研究，可以根据造影或者心脏血管CT打印出更符合心脏解剖结构的瓣膜。有研究通过超声获取人二尖瓣的动态影像数据，再使用立体光刻3D打印技术构造出了二尖瓣在收缩期和舒张期的实体模型^[4]。Lueders 等^[5]利用水凝胶和脐带血干细胞打印出了具有良好生物功能特性的心脏瓣膜。骨组织有软骨和硬骨两个方面，3D打印技术能够解决同种异体骨存在材料来源限制及潜在疾病感染等问题，以及免疫排斥等缺点^[6]。国内学者赖毓霄等^[7]利用低温3D打印技术，将镁有机复合入聚乙交酯-丙交酯共聚物、β-磷酸三钙多孔支架中，设计制造了具有生物活性的可降解的且有良好机械性能的支架，也有使用聚乳酸－羟基磷灰制备石复合支架^[8]使骨髓基质干细胞能够在复合材料上有效黏附生长，可作为骨组织工程的支架材料。在人体器官打印方面，人体器官3D打印技术相对传统的医疗手段表现出独特价值。2017年，Kizawa等^[9]采用3D打印技术成功制造出迷你版的具有生物活性的人类肝脏组织，能代谢药物、葡萄糖以及脂质，分泌胆酸，其功能可以维持数周。随着3D生物打印的发展，有望使器官移植在不远的将来取得突飞猛进的进展。

第2章 海藻酸钠3D打印用材料研究目的与内容

2.1 海藻酸钠复合材料体系

海藻酸钠水凝胶内部含有大量水分，可给细胞提供生长条件。常用的使海藻酸钠成胶的方法是使用离子交联剂，比如二价阳离子(Ca² 等)。这种成胶方式快速且可靠，与3D打印技术结合可方便地制造出内部具有复杂的连通的、血管网状的立体管型结构，可以在打印过程中与交联剂反应，，或在打印前加入少量交联剂，对其实现预交联^[10]，常在同轴打印技术中用于组织建构中空结构，可作为细胞的负载。但由于分子链上没有相应锚定的位点，表现出较差的蛋白质吸收性^[11]。先前已有使用丝素蛋白和海藻酸钠复合构建生物支架进行组织修复的研究，利用了丝素蛋白天然蛋白聚合物的特性，本研究使用清蛋白与海藻酸钠进行复合，清蛋白是一种源于食用鸡蛋的天然材料，具有优异的生物相容性和降解性和良好的透气透湿性，并且无毒。清蛋白这类富含蛋白质的材料使得细胞的生长、黏附和增殖都具有良好的效果。因此，将清蛋白混合于海藻酸钠溶液体系中，会更加利于细胞的生长，并且一定程度上提升材料的力学性能。最重要的是其成本低廉，对于批量生产和制备具有节约成本的特点，如能够成功应用于临床，相比于丝素蛋白更为中下阶级的患者所接受，不仅是生物医用材料研究上的一大进步，更是社会的一大进步。

2.2生物3D打印组织的构建及应用

3D打印技术，又称增材制造技术（additive manufacturing, AM）^[12]。3D生物打印技术可能具有广泛的医疗应用，最典型的一项是组织和器官的模型建立，具有个性化定制的特点，迄今为止，多种类型的仿生组织通过3D生物打印技术被制造出来，例如软骨，皮肤和血管组织。打印所用的生物墨水的理化性能和生物活性决定其应用方式，3D打印结构的表面性质影响着其与生物体的相互作用，是决定其能否真正应用的关键因素之一。生物墨水，顾名思义，基本要求是能够打印、具有良好生物相容性和生物降解性，同时应当具有结构稳定性。对于这种用来打印整体支撑结构的打印技术，直接挤压式是让材料保持原有性质的最佳方式，然而，在挤出过程中嵌入的细胞也会同时发生强烈的剪切应力，使得细胞损失。有学者研究出一种解决方案是使用低粘度的生物粘合剂，以降低对细胞的剪切力。Sayyar等^[13]开发了以丙烯酸酯改性壳聚糖为主体，以化学改性石墨烯为填料的光敏材料，通过3D打印的方式将此材料聚合形成了三维水凝胶结构，研究表明，化学改性石墨烯的加入增加了壳聚糖水凝胶的机械性能及其对细胞的粘附性。

第3章 清蛋白-海藻酸钠复合材料制备与筛选

3.1 实验材料与设备

3.1.1实验材料

实验中所需要的材料如表3.1所示。

表3.1实验试剂

3.1.2实验仪器

在制样的过程中使用了BX50A电动搅拌器，ZWYR-240恒温摇床，DZF-6120A真空干燥箱，进行性能测试时使用到的仪器主要有LGJ冷冻干燥机，万能材料实验机，进行制样时使用到了BG600-S伺服数字型蠕动泵，如表3.2所示。

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