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目前临床上对小口径管状结构支架(Φ<6 mm)的需求长期处于供不应求的状态,给工程化小口径管状组织的构建与功能再生带来了的机遇,同时也存在巨大的挑战。尽管同轴三维(3D)打印技术在模拟构建类血管小口径管状支架方面取得了一些进展,但是目前所构筑的类血管管状支架普遍存在力学性能不足、固有溶胀特性难以控制等缺陷,这严重阻碍了其作为承载小口径组织的医学应用。基于此,本研究通过高强度生物医用水凝胶开发,结合同轴3D打印技术拟构建具有高韧性、超拉伸性、抗压性、快速自恢复性能的小口径类血管结构支架,以此提高小口径微管的力学性能及固有溶胀特性等,为3D打印小口径管状结构支架应用奠下坚实基础。本文主要研究内容如下:(1)本文以氢键增加材料性能为策略,通过将具有分子内多氢键的N-丙烯酰基甘氨酰胺(NAGA)单体插入到甲基丙烯酰化明胶(GelMA)的大分子链中成功制备一种新型高强度水凝胶材料(PNG水凝胶)。实验结果证实引入NAGA片段后,PNG水凝胶变得坚韧而有弹性,机制在于NAGA嵌入降低了GelMA大分子主链缠结的高密度,并在水凝胶中额外引入了其他牺牲性物理键(如氢键)交联。其中,拉伸断裂强度达~0.451 MPa,拉伸率达~500%,压缩强度达~2.5MPa。由于GelMA链上的RGD粘附多肽,水凝胶还显示出良好的生物相容性。在体外细胞实验证明,PNG水凝胶促进间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞的粘附和生长及维持特异性蛋白的表达。这种将富含氢键的单体聚合物引入脆性水凝胶网络的策略可能会扩展到开发其他用于生物医学应用的坚韧水凝胶。(2)进一步,在PNG水凝胶的基础上,通过添加纳米黏土材料(Clay)构建了新型混合高强度水凝胶3D打印墨水,成功实现3D同轴打印技术高强度小口径类血管支架的构建。通过调节打印墨水成分(Clay/NAGA/GelMA)组成,实现其优异的可打印性能,取决于纳米粘土和聚合物链之间的物理互穿作用,可导致这种打印墨水呈现出完美的可打印性和结构稳定性,显著地提高了打印具有尺寸可调和可伸缩微管的沉积精度。此外,经紫外光交联之后,同轴打印复合水凝胶类血管支架呈现出优越的机械性能。其中,抗张强度为~22 MPa,可拉伸性为~500%,杨氏模量为~21 MPa,抗疲劳性能为~200个循环,在吸收溶胀平衡状态下的爆破压力为~2500 mmHg,缝合线保持强度为~280 gf。该性能远高于其他传统打印微管,可满足管状组织要求。同时,该微管可支持人脐静脉内皮细胞粘附、铺展和内皮化,从而具有良好的生物学特征。与此可见,本文开发的新型生物混合型水凝胶墨水,可用于制造可伸缩的高强度类血管支架,其在再生管状组织领域具有巨大前景。