面向组织工程支架的多孔三维点阵结构力学特性研究

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皮肤组织工程学涵盖了生物学、材料学、医学,涉及种子细胞、支架材料和生长因子多个方面,目的在于制备出可用于缺损部位治疗的机体替代物,该方法与同种异体皮肤和自体皮肤移植相比,克服了移植排斥和皮源有限这两个最大的缺点,在皮肤损伤治疗上,展现广阔的前景。支架结构对组织工程皮肤研制有着重要的作用,其在满足较高孔隙率要求的同时,还可具有一定的机械力学性能,既能避免支架结构的轻易破坏,又能对置入其中的种子细胞起到较好的缓冲保护作用,并为其提供良好的生长空间。因此,本文针对支架结构的孔隙率及力学性能要求,基于桁架单胞和DLP成形技术,研究三维多孔点阵结构支架的设计制备及力学特性,具体研究内容如下:探明DLP工艺参数对三维多孔点阵结构支架成形效果的影响规律。研究桁架单胞的阵列方向对结构连接强度的影响,据此设计了三种新型三维多孔支架;采用DLP工艺,探明分层厚度、每层曝光时间、成形速度等工艺参数,对三维多孔点阵结构支架实际成形效果的影响,制备了结构完好,孔隙清晰的三维多孔点阵结构支架。研究不同构形点阵结构的拉伸力学特性,基于拉伸韧性优选点阵结构构形。采用拉伸模拟和单轴拉伸试验,找出了结构受拉后的应力集中区域,探明了结构受拉过程中的应力应变趋势,分析并对比了各结构在拉伸力学特性上的差异,结果表明,该种结构具有良好的拉伸断裂率和拉伸模量,引入了拉伸韧性的评价标准,优选了拉伸力学特性最佳的点阵结构构形。针对最优点阵结构,探究支撑杆径变化对三维多孔点阵结构支架力学特性的影响规律。采用拉伸模拟和单轴拉伸试验,找出了支撑杆径变化对三维多孔点阵结构支架拉伸特性的影响规律,分析得出,在工艺极限尺寸内,结构的有效伸长率和总应力峰值会随支撑杆直径的增大而增大;重复进行单轴压缩试验,结果表明,优选结构受压时不仅具有较宽的应力平台,而且应力平台段占比随支撑杆径的增大而增大。本课题研究的三维多孔点阵结构支架既有着良好的拉伸断裂率和拉伸强度,又具有较宽的压缩应力平台段。因此,其不仅能在较大的拉伸率下保持结构完好,还可以在受压时,保护多孔点阵结构中种子细胞的完整性,为皮肤组织工程支架的设计与应用提供科学的指导,同时,该结构较好的力学特性也可用于易碎品装夹和柔性电子等领域。
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