基于SA-HA-GA的软骨3D打印技术研究.pdfVIP

摘要

退化性疾病（如骨关节炎）和外伤是造成软骨缺陷的重要原因之一，因为关

节软骨有限的先天愈合反应以及无血管、自然和麻痹的性质，若不进行治疗，这

些缺损会导致退行性关节疾病。目前自发修复反应的外科手术治疗依赖于进入软

骨下骨区域，这种治疗方法通常会导致纤维软骨在机械和生化性质上低于天然透

明组织。软骨组织要求具有较高的粘弹性及较好的生物相容性，传统的制备方法

很难满足相关要求，而生物3D打印能较好的解决这个问题。本文以制备高粘弹

性，高相容性生物软骨支架模型为目标展开相应的研究工作，具体研究内容如下：

1.研究了高粘弹性，高生物相容性软骨SA-HA-GA复合材料制备方案：通过

HA对SA和GA形成的复合凝胶进行物理改性，研究了SA、GA以及两者混合

后的粘度特性，得出适合Bioplotter打印机的材料粘度要求。通过实验方法研究

了不同浓度氯化钙溶液对混合材料性能的影响，得出最佳交联的氯化钙浓度为

3%，能较好提高混合材料的粘弹性，满足软骨组织材料方面的要求。

2.研究了高粘弹性，高生物相容性软骨材料支架打印过程建模及仿真分析:

首先研究了混合浆料流体特性；然后通过简化打印机针头模型，考虑了挤出过程

中的壁面滑移作用，建立了基于Bioplotter的针头挤出数学模型，用MATLAB

对建立的数学模型进行仿真；利用COMSOL对挤出过程中浆料的流动过程进行

仿真分析。相关的理论及仿真分析结果用来指导后续实验研究。

3.将配置好的混合浆料在Bioplotter机器上进行打印，分析温度、压强、打

印机挤出移动速度、支架线条间距等打印参数对软骨支架打印的影响。结果表明：

打印温度为28℃，打印气压为1.8bar，打印机挤出移动速度为11mm/s，支架线

条间隔为2mm可得到较好的打印效果，最后对实验参数进行优化。

4.研究软骨支架的各项性能：首先进行物理性能测试，实验结果证实加入

HA后明显提高了支架线条的抗拉强度。然后对C5.18软骨细胞进行复苏、培养

以及传代，用传代后的C5.18软骨细胞接种在软骨支架上进行培养，利用CCK8

试剂进行支架毒性检测，结果证明C5.18细胞可在打印出的软骨支架上增殖分化，

支架无毒性，然后用荧光倒置显微镜观察染色后的C5.18细胞在支架上的增殖分

化，观察发现细胞存活率在90%以上。

关键词：软骨3D打印，软骨支架，数学模型，工艺研究，C5.18细胞

℃,printingpressureis

1.8bar,needlemovementspeedis11mm/s,supportlineintervalis2mm,finallythe

experimentalparameterswereoptimized.

3.TheconfiguredslurrymixturewasprintedontheBioplottermachine,andthe

effectsofprintingparameterssuchastemperature,pressure,extrusionspeedofthe

printerandlinespacingofthescaffoldontheprintingofthecartilagescaffoldwere

analyzed.Theresultsshowthattheprintingtemperatureis28℃,theprintingpressure

is1.8bar,theextrudingspeedoftheprinteris11mm/s,andthelineintervalofthe

supportis2mm.Thebetterprintingeffectcanbeobtained.Finally,theexperimental

parametersareoptimized.

4.Tostudytheprope