【摘 要】
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背景:修复由外伤、肿瘤、感染或发育畸形等造成颌骨大面积缺损是临床中的一大难题。传统的自体骨移植修复存在骨量有限、二次伤害等问题。因此,目前骨组织工程技术是修复颌骨缺损最具前景的一种方式,然而制约其应用发展的瓶颈在于骨组织工程支架冗长的制备过程、个性化形状难以实现和高成本输出,同时存在不可调控支架孔径等问题对其力学性能具有极大影响。因此开发一种高效率、低成本、高精度及孔径可控的骨组织工程支架制备方法
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背景:修复由外伤、肿瘤、感染或发育畸形等造成颌骨大面积缺损是临床中的一大难题。传统的自体骨移植修复存在骨量有限、二次伤害等问题。因此,目前骨组织工程技术是修复颌骨缺损最具前景的一种方式,然而制约其应用发展的瓶颈在于骨组织工程支架冗长的制备过程、个性化形状难以实现和高成本输出,同时存在不可调控支架孔径等问题对其力学性能具有极大影响。因此开发一种高效率、低成本、高精度及孔径可控的骨组织工程支架制备方法具有重要的临床意义。目的:为了解决海藻酸钠（Sodium Alginate,SA）和壳聚糖（Chitosan,CS）复合支架存在的力学性能差、溶胀率过大和降解率过快等问题,使其满足骨组织工程支架的性能要求。方法:本课题拟采用工业废渣微硅粉纯化后的纳米级二氧化硅（SiO2）作为增强材料,采用3D打印技术制备了一种低成本、高强度、低溶胀、降解可控及生物相容性优异的骨组织工程支架,为骨组织修复支架提供一种新思路。1、将工业固废产物微硅粉（Silica Fume,SF）,经高温烧结联合酸浸（盐酸、硫酸）等方法进行纯化处理,得到无毒性二氧化硅（SiO2）纳米颗粒。使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和X荧光光谱仪（XRF）等对其进行形貌、结构和成分的表征与分析;2、配制适宜于3D打印的SA-CS基础浆料,制备具有良好塑型特性的3D打印结构,探究交联处理对水凝胶支架的影响,优选交联配方;探究打印孔径和针头直径对SA-CS支架力学性能的影响,获得的高强度SA-CS水凝胶支架;3、将二氧化硅（SiO2）纳米颗粒安不同比例掺杂到SA-CS基础浆料中,利用3D打印技术制备复合骨组织支架。使用扫描电子显微镜（SEM）对其形貌结构进行表征,对支架的溶胀率和降解率进行测试,使用万能试验机进行压缩试验测试,采用MTT法检测水凝胶对MC3T3细胞的体外毒性,采用碱性磷酸酶（ALP）和茜素红染色（ARS）评估水凝胶支架的体外成骨效果。结果:1、将微硅粉（SF）经500℃烧结5h后,置于2mol/L的HCl溶液,在60℃的水浴锅内以300r/min速度持续搅拌5h,循环酸洗三次后,进行脱酸处理,得到纳米级SiO2颗粒。SEM结果表明,SiO2呈现出大小均匀、表面洁净的纳米级圆球状结构;XRF,XRD结果表明,SiO2纳米颗粒仍呈无定形结构,未发生结晶;SiO2纯度高达94.93%,消除了26.86%的杂质。因此,证明了从SF中提纯SiO2纳米颗粒是一种低成本且高效的处理方法;2、经过流变性能测试,浆料粘度为1000 Pa.s-10 Pa.s,是典型的剪切稀化浆料,适合打印;将SA-CS支架浸泡于2mol/L乙酸钙中30min后转移至2wt%的乙酸钙中,得到最优交联配方。压缩实验结果显示,当支架孔径为0.6mm时,抗压强度为0.46 MPa;当针头直径为0.34mm时,抗压强度为0.49 MPa,获得力学性能最优的结构形式;3、基于上节的研究,将纳米SiO2添加到基础浆料后显著降低了支架溶胀率和降解率,进一步改善了其力学性能和生物性能。对于生物相容性存在最优掺量。SA-CS-3%SF水凝胶支架不仅对MC3T3-E1细胞的增殖效果和成骨潜力最为显著,而且其抗压强度达到0.61MPa,实现了具有高强度和良好的生物相容性的支架结构设计。结论:本研究通过固废物纯化处理、配比交联设计,最终将SiO2用到基础浆料中,采用3D打印技术得到的SA-CS-3%SF复合水凝胶支架具有高强度、低溶胀、低降解率及良好的生物相容性,可作为良好的骨组织工程支架材料。
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