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3D打印自润滑仿生软骨的构建及性能研究

摘要目的:制备一种3D打印的石墨烯/聚乙烯醇水凝胶支架,在支架孔径内载入具有优异润滑性能的透明质酸,以实现复合支架的低摩擦表面和高力学性能,并进一步评估复合支架作为仿生关节软骨的潜力。<br>  方法:我们设计了一种与关节软骨性能接近的仿生水凝胶支架,利用直接书写式3D打印技术进行油墨的双头打印,以GO/PVA油墨打印支架的主体框架,中空部分打入HA/F127润滑液,最后用GO/PVA油墨将支架封装形成自润滑仿生软骨,并对其理化性能、摩擦学性能和生物相容性进行表征。<br>  1)制备不同浓度的GO/PVA生物油墨(GO添加量为0mg/mL、0.5mg/mL、1mg/mL和2mg/mL),通过检测其粘度和流变性,评估油墨的可打印性。通过3D打印技术的压强优化及速度优化,筛选出最佳的打印压强与打印速度,并通过反复冷冻﹣解冻制备了四组GO/PVA水凝胶支架(G0P、G0.5P、G1P和G2P)。<br>  2)通过SEM观察打印支架的表面形貌及孔隙,FTIR判断有无新化学键的产生,检测各组打印支架的含水量、溶胀率、降解特性和力学性能,综合各项参数,筛选出最佳的GO添加量。<br>  3)通过摩擦学测试,评估添加HA/F127对四组水凝胶支架的摩擦系数优化效果。<br>  4)采用MTT法和Calcein-AM/PI活死细胞染色法,评估各组支架对SD大鼠膝关节软骨细胞的细胞毒性。<br>  结果:<br>  1)流变学测试验证了GO/PVA生物油墨(G0P、G0.5P、G1P和G2P)呈现剪切变稀的非牛顿流体特征,具有可打印性。筛选出了四种GO/PVA生物油墨的最佳打印压强和打印速度,构建的水凝胶支架具有良好的可塑性。<br>  2)SEM结果表明,四组水凝胶支架都具有连续多孔的网络。FTIR结果表明,GO与PVA以氢键结合。降解测试结果表明,四组水凝胶支架具有适宜的生物降解性,在第28d,G0P、G0.5P、G1P和G2P的降解率分别为16.2%、9.9%、8.7%和5.7%。拉伸强度由高到低依次为:G1P>G0.5P>G2P>G0P。在压缩性能的比较中,G1P的压缩性能最强,与拉伸性能匹配,当最大压缩强度366MPa时,其应变仅为58%。<br>  3)摩擦学测试表明:在一定范围内GO的加入使得摩擦系数相对降低,G0P、G0.5P、G1P和G2P组的摩擦系数分别为0.18、0.12、0.09和0.11。HA/F127能明显改善摩擦系数,“G1P-HA/F127”组摩擦系数降至0.05。<br>  4)MTT检测结果显示:随着GO的加入量增多,细胞存活率逐步降低,G0P、G0.5P、G1P组支架细胞存活率都达到80%以上,Calcein-AM/PI染色结果同样证明了材料的生物安全性。<br>  结论:3D打印GO/PVA水凝胶支架具有均匀多孔的微观结构和适宜的降解性,G1P-HA/F127水凝胶具有更匹配的力学强度、更低的摩擦系数和更好的生物相容性。基于对各组支架的摩擦学测试和磨痕观测,表明装载有HA/F127的GO/PVA水凝胶支架具备自润滑、耐摩擦能力,证实了该水凝胶支架具备仿生关节软骨的潜力。

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分类号 R318.08
发布时间 2022-10-13(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)
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