大尺寸关节支架的3D打印及应用

人工关节假体的置换与长期植入后的失效问题将造成关节组织不可恢复的损失,小块可降解骨软骨关节支架具有恢复病变关节的力学环境和诱导新生组织生长的能力,为大尺寸关节病变缺损修复提供了新的治疗策略.大面积深层病变软骨关节病变位置的生理结构与力学环境的分析,以及多材料复合关节支架的仿生制造与手术方案是治疗方案开发的难点.本文提出一种新型多材料关节支架的仿生设计与制造技术和植入方法.以诱导组织生长为导向,选择聚乙二醇凝胶(polyethyleneglyco,PEG)、β-磷酸三钙陶瓷(β-tricalcium phosphate,β-TCP)、聚乳酸(polylactide,PLA)等生物材料开发新型支架;以羊膝关节为研究对象,通过反求工程、有限元分析和3D打印技术,利用有限的影像学数据信息,建立膝关节模型和易病变软骨区域;基于支架生理结构特征与关节缺损区机械承载能力的映射关系,建立大块仿生骨软骨支架的结构与稳定性固定结构.实验证明该支架在置换初期较好地恢复了缺损关节的力学环境.所提出的方法和支架有望为大面积骨软骨缺损的修复提供一种新的治疗方案.     

钛框架/CPC/BMP复合人工骨的钙磷碳变化规律

为了解决磷酸钙骨水泥(CPC)/骨形态发生蛋白(BMP)植入体强度低的缺陷,提出一种钛框架/CPC/BMP复合结构的植入体,参考犬桡骨半月形断面及尺寸,利用计算机辅助设计与加工方法完成了相似形状的钛框架设计与制造,并将糊状CPC填充晾干后植入犬桡骨部位.通过动物实验,分析研究了钙磷碳的变化规律,得出了植入体钙磷碳变化模型.研究表明:植入体内的碳含量按二次抛物线增长,钙和磷的含量按线性规律递减,钙磷比则保持稳定;钛框架上有孔处的钙磷碳变化效率明显高于无孔处的变化效率.研究结果不仅为设计钛框架的形状提供了依据,而且证实了这种植入体的钛框架在不明显影响降解速度的条件下具有较好的支撑作用,因此扩大了CPC的临床应用范围.     

利用模型分解的曲面分层五轴挤出打印装置及工艺

针对传统平面熔融沉积成型(FDM)只能在平面内排布丝材,导致零件力学性能差、表面粗糙度高、浪费材料等问题,研究了曲面分层五轴挤出打印装置及工艺。首先,以球面并联机器人作为双轴转动成型平台,结合经典的并联臂型三维挤出打印机,搭建曲面分层五轴挤出打印设备;然后,以底层曲面为基准,将零件的三维模型分解为按照打印顺序排列的曲面,每层曲面再分解为按宽度铺满曲面的丝材路径;之后,按照坐标变换公式和位姿反解公式在下位机控制软件Marlin固件中编写轨迹规划函数,解释并执行零件路径规划文件进行曲面分层五轴三维打印。通过对零件进行力学试验,相同零件的五轴挤出打印比三轴挤出打印,最大破坏力由(189.37±8.7) N提高到了(445.54±52.57) N,材料消耗减少了46%。因此,低成本、高精度的五轴三维打印设备能够打印高强度、高刚度、无支撑、表面粗糙度低的零件,在曲面结构打印、无支撑结构打印以及复合材料连续打印等方面有重要的应用前景。     

脑深部刺激电极的结构优化及其模拟分析

为了进一步揭示脑深部电刺激术中微脑电极的结构与电刺激参数之间的关联作用对神经活动的抑制机理,利用有限元方法,研究微脑电极刺激触点结构对其作用区域的刺激范围和刺激程度.分析结果表明,电极触点阵列,特别是触点长度和触点间距是微脑电极结构尺寸中的关键因素,也是对脑电极作用区域影响最大的结构尺寸.电极触点长度或触点间距的增加将会增大对脑部的刺激强度和刺激范围,同时触点长度2倍于触点间距将使得脑部的刺激更加平稳、有效.电极触点长度和触点间距不仅直接影响其作用位置,而且影响其对脑部作用区域的刺激强度和刺激范围的变化规律.研究结果为微脑电极的构建提供了新的设计依据.     

肝组织工程支架的仿生设计与有限元分析

为了解决细胞在细胞支架复合培养中难以植入的问题,提出了一种卷裹型支架.将平面多孔支架采用卷裹的方式成型,使细胞在整个支架内部形成螺旋状三维分布,支架表面的管道结构可使培养液在支架内部渗透,从而提高物质交换效率.提出了一种具有仿生参数的流道设计方案,从肝脏血管铸型中提取血管的形状数据,作为仿生学依据进行流道设计,具体为树状多层分支结构.用此流道结构仿生了动脉、静脉的血液循环功能,并利用多孔材料仿生了毛细血管的渗透功能.建立了不同形状参数的流场分析模型,进行流体与多孔材料的渗流分析.结果表明,仿生设计方案的流场分布最为均匀,且平均流速较高,间接表明营养物质的输送效率最高.该支架能够使细胞呈三维分布,并扩大培养液在支架内的有效分布范围,更好地维持细胞的存活、增殖和迁移,为向组织化方向发展奠定了一定的基础.     

组织工程肌细胞定向排列方法的研究进展

应用计算机检索PubMed数据库及Web of Science数据库,检索关于细胞定向排列方法的文章,中文检索词为"肌细胞排列,组织工程,表面结构约束,表面化学修饰,力学刺激,电磁刺激"。总结近年来关于组织工程肌细胞定向排列方法,对其进行简要的综述,分析关键技术,探讨存在的问题并展望发展前景。肌细胞排列在细胞骨架重组、膜蛋白迁移、核基因表达和ECM重塑的过程中起到至关重要的作用。同时,对组织再生和调节组织的力学性能也有很大的影响。因此,细胞排列成为生物力学,细胞生物学,组织工程和再生医学应用中的关键技术。随着纳米和微制造等技术的发展,目前常用表面结构约束,表面化学修饰,外界刺激等方法,能有效诱导肌细胞定向排列,为进一步的细胞分化和形成肌小管提供条件。但是,目前的研究仍然存在一些不足,例如,马血清对细胞排列分化的促进机制仍不明确,仿生结构研究较少,极低频磁场对细胞排列的影响仍属空白等,是肌肉组织工程亟待解决的技术难点。最后,文章总结了在未来技术发展中,通过细胞精准打印,开发智能材料等新工艺,新材料控制细胞定向排列,不仅奠定了大尺寸三维支架制造和再生医学领域的理论基础,也是功能性肌肉组织的前瞻性研究方向,并将最终实现多层组织的集成,为临床应用提供研究基础。     

加压下采用自主研发保存液及不同保存方法对半月板保存的研究

为探讨加压环境下采用不同保存方式及自主研发半月板保存液对半月板保存的最佳方法,用成年山羊20只,共提供40只半月板,将其随机分为4小组分组保存(A组:①自主研发保存液组(国家发明专利号为:201110188468.4),②UV保存液组,③α-MEM保存液组;B组:梯度降温加-80℃低温冰箱保存),定期取部分半月板组织进行组织学、组织化学、细胞存活率及免疫组织化学检测.A组的自主研发保存液组和B组经过冷冻保存1、3、6、9周后,胶原纤维排列规则、紧密,纤维粗细均匀,横纹清晰.半月板纤维软骨细胞形态基本正常,半月板纤维软骨细胞基质黏多糖含量丰富,细胞存活率较高;A组中UV保存液组、α-MEM保存液组组经过保存后细胞大多出现基质中黏多糖含量降低,细胞器结构不清,细胞存活率低.在所有保存组中,自主研发保存液组半月板保存效果更好.说明自主研发保存液组有利于保持半月板中纤维软骨细胞的活性,对半月板损伤更小.在半月板纤维软骨细胞存活率方面,自主研发保存液组和UV保存液组、α-MEM保存液组的差别有统计学意义(P＜0.05),自主研发保存液组和- 80℃低温保存对维持半月板纤维软骨细胞活性无明显区别,但保存更方便,保护作用更强.     

采用立体编织工艺构造人工骨仿生微结构

为了实现人工骨植入体内的有效活化,应用立体编织法制作人工骨的微管结构.以CAD设计人工骨的微结构,用三维立体编织技术将可吸收手术缝合线编织成人工骨微结构支架的负型,为控制人工骨的微管尺寸,在缝线上涂敷Ⅰ型胶原蛋白,在编织物内充填自固化磷酸钙骨水泥(CPC),固化后形成含有微孔结构的人工骨.实验表明,缝线的降解速度高于CPC的降解速度,能够早期在人工骨内部形成相互导通的微管道结构,这不仅有利于骨生长,还可以促进人工骨的活化,同时还具有一定的力学强度,可望用于骨缺损的修复.     

TiO_2光阳极有序微结构的纳米压印工艺

提出一种以常温紫外固化纳米压印技术实现定制化微结构TiO_2纳米晶岛薄膜制备的工艺,用于制备垂直于透明导电基底的TiO_2薄膜光阳极.混合TiO_2粉体、分散剂、乳化剂、酒精和光固化树脂等,制备可紫外光固化的TiO_2溶胶,并经步进压印形成宽度为3μm的具有离散纳米晶岛微结构的薄膜,经保压复型优化压印工艺后处理,保证了离散纳米晶岛微结构的高保真度.经600℃烧结去除薄膜中的掺杂物,退火至450℃后获得了定制化微特征的锐钛矿型TiO_2半导体薄膜.在N719染料敏化条件下,制备出了定制化微结构光阳极的染料敏化太阳能电池.AM1.5(0.1w/cm~2)光照条件下的测试实验结果表明,该电池的光电转化效率可达2.7%.此工艺有望应用于制备高稳定性固态或准固态电解质染料敏化太阳能电池.     

PEGDA水凝胶的光固化成形工艺及其性能评价

采用光固化成形技术制备三维结构软骨组织工程聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶,并对其成形工艺参数进行对比研究.对聚乙二醇(400)双丙烯酸酯(PEG(400)DA)溶液光固化成形单条线及单层面的形貌尺寸进行测量,研究PEG(400) DA体积分数、激光扫描速度以及扫描线间距等参数对测量结果影响.对制备的PEGDA水凝胶成形尺寸、成分、吸水率、压缩弹性模量等进行评价,结果表明:随着曝光量以及φ(PEG(400) DA)的增加,水凝胶单条线的固化厚度与固化宽度均增加;随着激光扫描填充向量间距的增加,水凝胶单层面的固化厚度减小;随着φ(PEG(400) DA)的增加,固化后的水凝胶吸水率降低,压缩弹性模量增大.采用φ( PEG(400) DA)为30％的溶液,激光器功率为0.1W,扫描速度为1 800 mm/s,填充向量间距为0.15 mm,能够制备出定制化膝关节水凝胶软骨支架,其吸水率为191.67％,平均压缩弹性模量为0.75 MPa,满足软骨组织工程的需求.