光固化打印变泊松比纳米纤维素支架用于干细胞成软骨诱导研究

1、光固化打印变泊松比纳米纤维素支架用于干细胞成软骨诱导研究纳米纤维素CNFs作为一种重要的天然高分子材料和新型的纳米材料，具有 较高的机械性能、 较低的密度、 良好的生物相容性、 可降解性以及纳米结构效应 等特点,其作为三维3D打印生物材料用于构建具有复杂拓扑结构的组织工程支 架已成为国内外的研究热点。泊松比材料具有特殊的孔结构 , 材料负的横向收缩 应变与纵向伸长应变的比值即为泊松比。生物组织大多呈现变泊松比效应 , 因此具有可调谐泊松比的支架可能更适合用于模拟天然组织的力学行为。作为一种 3D打印技术,立体光固化3D打印 Stereolithography,SLA 具有成型速度快、精度高等特

2、点。因而,采用光固化3D打印技术制备具有变泊松比的CNF生物支架,将具有很 大的开展潜力和应用前景。本文采用水性的光固化树脂聚乙二醇双丙烯酸酯 PEGDA与CNFs共混制备得到具有光固化性能的 CNFs/PEGD共混光固化树脂， 对其流变性质、光固化性能进行了研究。采用AutoCAD绘图软件,设计不同泊松比性质的孔结构掩膜；采用SLA技术, 对CNFs/PEGD共混光固化树脂进行光固化打印,获得了具有不同泊松比的水凝 胶, 然后经过冷冻枯燥得到同时具有微孔和纳米孔结构的气凝胶 , 对气凝胶的形 貌结构进行了表征。将具有不同泊松比的气凝胶进行干细胞培养实验 ,诱导干细 胞转化为软骨细胞 , 探讨

3、气凝胶的结构及泊松比对细胞粘附、细胞形态、生长增 殖和分化的影响。主要结论如下：1.CNFs与PEGDAE够很好地混合,得到的CNFs/PEGD共混光 固化树脂透明、稳定、无分层凝聚现象。CNFs/PEGD共混光固化树脂的粘度随剪切速率的增加明显降低 ,具有剪切变稀特性 , 属于假塑性流体。在PEGD含量为10wt%青况下,当CNFs含量(29)2.5wt%时,CNFs/PEGDA共混 光固化树脂的静态粘度大于 3Pa.s, 符合喷墨形式的光固化打印对材料粘度的要 求,而当CNFs含量£ 2.0wt%时，体系的静态粘度小于3Pa.s,符合SLAT印对材料 粘度的要求；在CNFs含量为

4、2.0wt%情况下,当PEGD含量w 20wt%寸，体系的静态 粘度符合SLA对油墨的粘度要求；当PEGDA含量(29)30wt%时,体系的静态粘度符 合喷墨打印对油墨的粘度要求。2.CNFS/PEGD共混光固化树脂具有较好的光固 化性能,CNFs含量对CNFs/PEGD共混光固化树脂的固化深度无影响,引发剂含量 与PEGDA含量对共混光固化树脂的固化深度影响较大。当PEGD含量为20wt%,CNFs含量为1wt%青况下,引发剂含量从0.05wt%、 0.10wt%增加到0.20wt%时，共混光固化树脂透射深度从1.27mm 1.03mm减小到 0.95mm;临界曝光量从 91.16 mJ/c

5、m2 100.86 mJ/cm2增加到 125.65 mJ/cm2 当引发剂含量为0.1wt%,CNFs含量为1wt%青况下,PEGDA含量从10wt% 20wt%增 加到30wt%时,共混光固化树脂透射深度从 0.93mm 1.03mm增加到1.89mm;临界 曝光量从 76.68mJ/cm2、100.86 mJ/cm2 增加到 165.27 mJ/cm2。随着共混光固化树脂中PEGDA勺含量从10wt% 20wt%增加到 30wt%,CNFs/PEGD光固化水凝胶的压缩模量从 0.52Mpa 1.73MPa增加到3.65Mpa。 因此，综合考虑透射深度、临界曝光量和压缩模量,引发剂和PEG

6、D适宜的用量分 别为 0.10wt%和 20wt%3.以CNFs/PEGD共混光固化树脂为原料,采用SLA技术和掩膜的方法,制备 了正泊松比、零泊松比、负泊松比的 CNFs/PEGD水凝胶。分析了固化时间对水 凝胶结构轮廓清晰度的影响 , 并用 Matlab 软件对其进行仿真模拟。光学显微镜说明,在光强为11mw/cm2£条件下,固化时间为60s70s之间时,可以得到网格结构清晰的水凝胶。 Matlab 模拟仿真说明 , 菲涅尔衍射理论可以解 释掩膜固化条件下的过固化现象。4. 以水凝胶为原料 , 采用冷冻枯燥方法制备了正、零、负泊松比的CNFs/PEGD气凝胶,对气凝胶的压缩模量和

7、形貌结构进行了表征。正泊松比、零 泊松比和负泊松比的CNFs/PEGD气凝胶的压缩模量分别为2.63MPa 2.86MPa 和 2.94MPa。SEMI示气凝胶同时具有微米级和纳米级的孔结构，并且微孔和纳米孔互相 贯穿, 纳米级孔系兴旺 , 具有丰富的比外表积。 5. 在正、零和负泊松比的气凝胶上 进行小鼠骨髓间充质干细胞BMSC成软骨诱导培养实验，探讨气凝胶的结构及泊 松比对细胞粘附、细胞形态、生长增殖和分化的影响。激光共聚焦显微镜CLSM显示,小鼠BMS在气凝胶上培养三天后具有较强 的活力且能够粘附在材料上生长；增殖测试说明,BMSC在负泊松比的气凝胶材料 上的增殖速度高于其它泊松比材料。小鼠 BMS诱导两周后的阿利新蓝和甲苯胺 蓝染色结果显示CNFs/PEGD气凝胶能促进蛋白多糖和糖胺多糖的生成，促进 BMS向软骨细胞分化。