论文总字数：16730字

摘 要

在如今这个科技、医疗急速发展的大环境下。把3D打印与组织工程相结合成为了近年医学应用领域的研究热点。而天然水凝胶因为其具有生物降解、生物相容、低抗原性、低细胞毒性等性能，成为了组织修复领域的主要支架材料^[19]。

本文主要对GelMA（甲基丙烯酰化明胶）水凝胶的合成制备，以及GelMA的浓度对水凝胶的机械性能影响进行了探究。在光交联后的GelMA水凝胶在孔径上得到了明显提高，水凝胶体系中GelMA的浓度增加能够获得更好的机械性能。

关键字：3D打印 水凝胶 支架 组织工程

Study on Preparation and Performance of Light Sensitive Gelatin Hydrogel

Abstract

Nowdays, with the rapid development of science and technology and medical care,Combining 3D printing with tissue engineering has become a research hotspot in medical applications in recent years. Natural hydrogels have become the main scaffolding materials in the field of tissue repair because of their biodegradability, biocompatibility, low antigenicity and low cytotoxicity.

This article mainly have discussed that Synthesis of GelMA (methacrylylated gelatin) hydrogel and effect of GelMA Concentration on Mechanical Properties of Hydrogels. The GelMA hydrogel after photocrosslinking is significantly improved in pore size, and the increased concentration of GelMA in the hydrogel system can obtain better mechanical properties.

Keywords: 3D printing; hydrogel; stent; tissue engineering

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.2 生物3D打印技术简介 2

1.2.1 3D生物打印方法 2

1.2.2 组织生物打印策略 3

1.3组织工程与水凝胶的应用 5

1.3.1 组织工程 5

1.3.2 水凝胶在组织工程中的应用 5

1.4水凝胶的发展与GelMA水凝胶 6

第二章 实验部分 8

2.1 实验原料与仪器 8

2.1.1 实验原料 8

2.1.2 实验仪器 8

2.2 GelMA水凝胶的合成制备 8

2.2.1 GelMA的制备方法 8

2.2.2 GelMA的合成步骤 10

2.2.3 光交联GelMA水凝胶的制备 10

2.3 红外测试 10

2.4 核磁测试 10

2.5 扫描电镜测试 11

2.6 吸水溶胀测试 11

2.7 流变学测试 11

2.8 压缩力学性能测试 11

第三章 实验数据与结论 12

3.1 红外分析 12

3.2 核磁分析 12

3.3 扫描电镜分析 13

3.4 吸水溶胀分析 14

3.5 流变学分析 15

3.7 结论 17

展望 18

参考文献 19

致谢 22

第一章 绪论

1.1引言

随着增材制造技术二十多年来的技术发展，目前这项技术已经以往的一些行业基础上，又扩展到了服装、首饰、珠宝和电子元件等精密产品中。尤其是在医疗行业，因3D打印技术这种逐层加工的特性，使3D打印已在医学中发现了广泛的应用，包括颅面植入物、牙科模具和牙冠植入物、假体部件；一些按需设计的医疗设备、手术模型；用于组织再生的支架，例如皮肤和骨骼、器官印刷，用于药物发现的组织模型。想比于传统的制造手段，通过采用将分散的材料通过堆叠、团聚的方式，在三维空间中直接生成产品实体。3D打印可运用电脑软件设计出所需零件的三维模型图，再根据材料的成型需求，在XY的平面上反复堆叠成模型的横截面。当某层的厚度达到几个毫米，甚至几个微米时，再向Z轴的方向层层递进；并且可以根据所设计的模型，调整加工参数，然后由打印机的终端将这些数据转换成电子信号传输到打印机的喷枪上来进行喷涂、打印，最后得到一个三维立体的物理实体。

再利用计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）对生物体的3D结构进行扫描，可测量出组织的特定尺寸，以帮助设计生物打印的构建体，从而获得病人所需组织、器官的数字化信息，完成的组织或器官模型与数控生物打印系统连接^[1]。最后使用计算机辅助设计将调试好的信号输出给打印机，由此便可设计出患者所需的血管、器脏、骨骼等模型后，通过高精度的打印机得到所需的“零件”。但是就目前的技术来说，精度已经不是3D打印的首要问题，而打印所需的基材才是医疗领域研究的重点、难点。在近年的研究当中，骨骼的成型打印已经有了很大的进展，并且已经有许多临床应用的实例。例如，美国 OPM 公司使用聚醚酮酮 (PEKK) 作为打印材料，3D打印出的假体替换了一名患者 75%的头骨^[2]。但是对于血管、器官、内脏这些参与体内循环的部分，就无法直接利用细胞来进行打印，这种做法不仅难以实现，而且目前也没有成颗粒或粉末状的单独的人体细胞存在。所以，必须先通过一些具有生物相容性的材料作为细胞分生的支架，然后将生物相容性材料作为打印的基材，打印出所需的模型。最后，利用患者的一些基质细胞在打印出的模型支架中进行分生、增值，从而得到医用的器官“零件”。这样的一系列操作使病患的一些难以配型或者无法再次重生的器官、内脏等人体部件的更换，提供了现实性的可能。

1.2 生物3D打印技术简介

Charles W.Hull首次描述了3D打印。 并在他命名为“立体光刻”的方法中，利用喷枪将薄薄的一层材料挤出后立即用紫外光固化，然后重复同样的操作打印下一层，最终打印成型出一个固态的三维立体结构^[3]。

3D生物打印是一种新兴的组织工程（TE）工具，它采用增材制造技术，目标是生成三维的类似组织的结构。在预定义的3D模型中，将印刷过程构成细胞负载水凝胶的逐层沉积，将其称为bioink。在印刷过程之后，在体外或体内环境中培养细胞结构以形成功能组织。3D生物打印主要的优势是它否能够建立具有高度空间组织和重建多细胞结构的材料成分。虽然在过去的13年间生物打印本身的技术一直是研究的重点，但同时在今后几年也将继续成为研究的热点。从2003年米罗诺夫和博莱德等人的研究开始追溯^[4]，直到今天，已经发展出了一系列生物打印方法。按最小的可打印实体大小分类，可分为三类。Bioink可以分层印刷（例如：光图案法）、连续绘图（例如:微挤出）或逐滴分配（例如:喷墨生物打印）^[5]。

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