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Physical understanding of axonal growth patterns on grooved substrates:groove ridge crossing versus longitudinal alignment

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Bio-Design and Manufacturing 2020年第4期3卷 348-360页

作者： Deming Zhang hairui suo Jin Qian Jun Yin Jianzhong Fu Yong Huang The State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems School of Mechanical EngineeringZhejiang UniversityHangzhou 310028China Key Laboratory of 3D Printing Process and Equipment of Zhejiang Province School of Mechanical EngineeringZhejiang UniversityHangzhou 310028China School of Automation Hangzhou Dianzi UniversityHangzhou 310018China Key Laboratory of Soft Machines and Smart Devices of Zhejiang Province Department of Engineering MechanicsZhejiang UniversityHangzhou 310027China Department of Mechanical and Aerospace Engineering University of FloridaGainesvilleFL 32611USA

Surface topographies such as micrometric edges and grooves have been widely used to improve neuron ***,finding the mechanism of neuron–surface interactions on grooved substrates remains a *** this work,PC12 cells and chick forebrain neurons(CFNs)were cultured on grooved and smooth polyacrylonitrile *** was found that CFNs showed a tendency of growing across groove ridges;while PC12 cells were only observed to grow in the longitudinal direction of *** further investigate these observations,a 3D physical model of axonal outgrowth was *** this model,axon shafts are simulated as elastic 3D beams,accounting for the axon outgrowth as well as the focal contacts between axons and ***,the bending direction of axon tips during groove ridge crossing is governed by the energy minimization *** physical model predicts that axonal groove ridge crossing is contributed by the bending compliance of axons,caused by lower Young’s modulus and smaller *** work will aid the understanding of the mechanisms involved in axonal alignment and elongation of neurons guided by grooved substrates,and the obtained insights can be used to enhance the design of instructive scaffolds for nerve tissue engineering and regeneration applications.

关键词： Grooved substrates Neuron outgrowth Axonal outgrowth model Axonal crossing

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基于3D打印羟基磷灰石支架的填充结构与力学性能研究

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中国生物医学工程学报 2020年第1期39卷 91-96页

作者：李相成索海瑞王玲徐铭恩杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院杭州310018 杭州电子科技大学自动化学院杭州310018 浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室杭州310018

3D打印骨组织工程支架是近来的研究热点,而制备同时具有高孔隙率和足够力学性能的骨组织工程支架是研究的难点之一。在孔隙率相同条件下,探究不同填充角度结构对3D打印支架力学性能影响。首先用Solid Works软件设计孔隙率相同的3种不同... 详细信息

3D打印骨组织工程支架是近来的研究热点,而制备同时具有高孔隙率和足够力学性能的骨组织工程支架是研究的难点之一。在孔隙率相同条件下,探究不同填充角度结构对3D打印支架力学性能影响。首先用Solid Works软件设计孔隙率相同的3种不同填充角度(45°、60°、90°)支架结构,以交点处结构作为支架的最小支撑单元,并用ABAQUS软件对其进行力学性能仿真,对仿真所得单元结构压缩模量进行累加,探究填充角度对支架力学性能的影响;进而通过3D打印制备3种填充结构的羟基磷灰石支架,测试支架的孔隙率和力学性能,对仿真结果进行验证。结果表明,仿真所得3种填充结构的压缩模量比为Es(90°)∶Es(60°)∶Es(45°)=12.3∶10.9∶10.0。打印得到3种不同填充角度(90°,60°,45°)的羟基磷灰石支架孔隙率无显著性差异,其压缩模量比为Es(90°)∶Es(60°)∶Es(45°)=15.4∶13.1∶10.0,与仿真结果趋势一致,90°填充的支架具有最高的抗压强度((7.36±0.63)MPa)和压缩模量((33.55±2.49)MPa),与力学性能最低的45°填充支架相比,抗压强提高74.8%,压缩模量提高55.18%。在孔隙率相同的条件下,单个孔型面积越小,其压缩模量和抗压强度越高。该研究为制备最优填充结构的3D打印生物支架提供分析方法和理论依据。

关键词： 3D打印填充结构力学性能孔隙率羟基磷灰石支架

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基于三维打印的磷酸三钙骨组织工程支架烧结工艺研究

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生物医学工程学杂志 2020年第1期37卷 112-118页

作者：满星云索海瑞刘家利徐铭恩王玲杭州电子科技大学浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室杭州310018 杭州电子科技大学自动化学院杭州310018

磷酸三钙(TCP)是构建骨组织工程支架常用的生物陶瓷材料。三维(3D)打印的TCP支架具有精确可控的孔隙结构,但存在力学性能不足的问题。由于烧结工艺对生物陶瓷支架力学性能的影响至关重要,本文详细探讨了不同烧结温度对3D打印TCP支架的... 详细信息

磷酸三钙(TCP)是构建骨组织工程支架常用的生物陶瓷材料。三维(3D)打印的TCP支架具有精确可控的孔隙结构,但存在力学性能不足的问题。由于烧结工艺对生物陶瓷支架力学性能的影响至关重要,本文详细探讨了不同烧结温度对3D打印TCP支架的力学性能的影响,测试了不同烧结温度制备的支架的表观形貌、质量和体积收缩率、孔隙率、力学性能以及降解性能。结果表明,当烧结温度为1150℃时,晶粒生长充分、气孔最少,支架具有最大的体积收缩率、最小的孔隙率以及最优的力学性能,压缩模量和抗压强度可以分别达到(100.08±18.6)MPa和(6.52±0.84)MPa,能够满足人体松质骨力学强度的要求。此外,与其他烧结温度下制备的支架相比,1150℃下烧结制备的支架在酸性环境中降解最慢,进一步说明其在长期植入时具有更佳的力学稳定性。该支架可支持骨髓间充质干细胞(BMSCs)黏附和快速增殖,具有良好的生物相容性。综上,本文优化了3D打印TCP支架的烧结工艺,提高了其力学性能,为其作为承重骨的应用奠定了基础。

关键词：三维打印磷酸三钙骨组织工程支架烧结工艺力学性能

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京尼平交联3D打印胶原/壳聚糖支架的表征

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中国组织工程研究 2022年第28期26卷 4477-4482页

作者：张佳颖索海瑞徐铭恩王玲杭州电子科技大学自动化学院浙江省杭州市310018 浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室浙江省杭州市310018

背景:胶原/壳聚糖支架需交联才能达到相应力学性能,有研究表示调节交联剂浓度可以在一定范围内调控支架的理化性能。目的:探究京尼平浓度对胶原/壳聚糖支架理化性能的影响,制备理化性能可调节的组织工程支架。方法:将胶原和壳聚糖粉末... 详细信息

背景:胶原/壳聚糖支架需交联才能达到相应力学性能,有研究表示调节交联剂浓度可以在一定范围内调控支架的理化性能。目的:探究京尼平浓度对胶原/壳聚糖支架理化性能的影响,制备理化性能可调节的组织工程支架。方法:将胶原和壳聚糖粉末分别溶于弱酸后混合均匀,作为打印墨水,利用生物3D打印机低温打印胶原支架与胶原/壳聚糖支架,经冻干、中和处理后分别以1,3,5 mmol/L的京尼平进行交联。检测各组支架的表观结构稳定性、抗拉能力、溶胀性能、降解性能与生物相容性。结果与结论:①将支架在PBS中浸泡3 d后,对比未交联的冻干支架,交联后胶原支架表面维持规则的孔结构,但是支架出现明显变形;交联后胶原/壳聚糖支架表面结构规则,仅1 mmol/L京尼平交联的胶原/壳聚糖支架存在轻微变形。②随着京尼平浓度的增加,各组支架的力学性能增加,并且对应交联浓度下的胶原/壳聚糖支架力学性能好于胶原支架。③随着京尼平浓度的增加,胶原支架的溶胀率下降,胶原/壳聚糖支架的溶胀率无明显变化。④浸泡于胶原酶溶液中后,不同浓度京尼平交联的胶原支架在1 h内被完全降解,胶原/壳聚糖支架的降解速率随京尼平浓度的增加而降低,均呈现先快速后平缓的趋势。⑤将骨髓间充质干细胞接种于各组交联支架3 d后,1,3 mmol/L京尼平交联的胶原/壳聚糖支架(或胶原支架)上的细胞数量明显多于5 mmol/L京尼平交联的胶原/壳聚糖支架(P<0.05)。⑥结果表明,京尼平可在一定范围调节胶原/壳聚糖支架理化性能,其中3 mmol/L京尼平交联的胶原/壳聚糖支架具有较好的力学性能、抗酶解能力与生物相容性。

关键词：交联胶原壳聚糖低温3D打印京尼平组织工程支架细胞活性

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同轴打印双交联海藻酸钠/丝素蛋白血管网络支架

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中国组织工程研究 2019年第18期23卷 2865-2870页

作者：李宁宁徐铭恩索海瑞王玲杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院浙江省杭州市310018 杭州电子科技大学自动化学院浙江省杭州市310018 浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室浙江省杭州市310018

背景:构建组织工程类血管结构是复杂组织和器官再生的关键,利用3D打印技术构建类血管结构成为目前研究的热点。目的:利用生物3D打印和同轴挤出系统,采用海藻酸钠和丝素蛋白组成的生物墨水,同轴打印具有高度有序排列的可灌注血管结构。方... 详细信息

背景:构建组织工程类血管结构是复杂组织和器官再生的关键,利用3D打印技术构建类血管结构成为目前研究的热点。目的:利用生物3D打印和同轴挤出系统,采用海藻酸钠和丝素蛋白组成的生物墨水,同轴打印具有高度有序排列的可灌注血管结构。方法:以含5%海藻酸钠与5%丝素蛋白的混合溶液作为生物墨水,以含5%氯化钙与13%F127的混合溶液作为交联剂,采用生物打印机打印海藻酸钠/丝素蛋白凝胶,进行光学相干层析成像与扫描电镜观察。将含5%海藻酸钠与5%丝素蛋白的混合溶液与人肝癌细胞C3A悬液混合,作为生物墨水,以含5%氯化钙与13%F127的混合溶液作为交联剂,采用生物打印机打印含细胞的海藻酸钠/丝素蛋白凝胶,置入培养基中培养24 h后进行Calcein-AM染色,荧光显微镜下观察。结果与结论:①光学相干层析成像:支架结构为多层复合的中空管道,凝胶丝具有完整的中空结构,且各通道之间互相贯通,这种结构类似血管的中空通道,有利于营养物质和代谢废物的运输;②扫描电镜:可见并行排列的中空管道结构,管道边界清晰,直径在400μm左右,且边界之间形成了由F127去除导致的微孔结构;③荧光显微镜:细胞均匀分散在通道两侧的材料中,细胞在支架中的生长情况良好,细胞存活率高于95%;④结果表明:基于同轴喷头的生物3D打印技术和海藻酸钠/丝素蛋白生物墨水,可用于进一步构建血管化功能组织。

关键词：海藻酸钠丝素蛋白生物3D打印同轴喷头中空管道结构生物墨水双交联网络可灌注血管结构

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填充结构对3D打印聚己内酯支架力学性能的影响

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中国组织工程研究 2022年第16期26卷 2492-2497页

作者：刘家利索海瑞杨翰王玲徐铭恩杭州电子科技大学自动化学院浙江省杭州市310018 浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室浙江省杭州市310018

背景:3D打印聚己内酯组织工程支架是近些年来研究的热点之一,选择合适的材料制备力学性能优良的多孔支架是当前研究的难点。目的:制备不同填充结构的三维多孔聚己内酯支架,研究其机械性能。方法:设计0°/90°、0°/60°、0°/60°/120°... 详细信息

背景:3D打印聚己内酯组织工程支架是近些年来研究的热点之一,选择合适的材料制备力学性能优良的多孔支架是当前研究的难点。目的:制备不同填充结构的三维多孔聚己内酯支架,研究其机械性能。方法:设计0°/90°、0°/60°、0°/60°/120°、0°/45°和0°/45°/90°/135°5种填充结构,采用生物3D打印机打印三维多孔聚己内酯支架,测试支架的孔隙率及压缩和拉伸性能。结果与结论:(1)5种支架的孔隙率比较差异无显著性意义(P>0.05);(2)从Z方向压缩时,不同填充结构聚己内酯支架的压缩性能差异很小;(3)从Y方向压缩时,0°/45°、0°/60°、0°/90°三种支架的压缩性能随填充角度增加而增强,0°/45°/90°/135°支架的压缩模量和强度比0°/45°支架高,0°/60°/120°支架的压缩模量和强度比0°/60°支架强;(4)从X方向压缩时,支架压缩模量和强度的规律与Y方向压缩相反;在5种支架中,0°/45°/90°/135°支架的拉伸模量和强度最大,0°/90°支架的拉伸模量和强度最小,0°/45°、0°/60°、0°/90°支架的拉伸强度和模量随角度增加而减小;(5)结果表明,0°/90°和0°/60°/120°填充结构的支架可满足力学性能各向同性的生理环境需求,其他3种结构可满足人体组织各向异性生长环境的要求。

关键词： 3D打印组织工程聚己内酯支架填充结构各向异性力学性能拉伸压缩

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基于3D打印的双相磷酸钙胶原改性支架

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中国组织工程研究 2019年第30期23卷 4780-4786页

作者：张海鸽索海瑞王玲徐铭恩杭州电子科技大学浙江省医学信息与生物三维打印重点实验室浙江省杭州市310018 杭州电子科技大学自动化学院浙江省杭州市310018

背景:制作出类似天然骨成分和机械强度、表面活性良好且具有多孔结构的三维胶原/双相磷酸钙支架是骨组织工程研究的一个难点。目的:制备兼具高孔隙率、高机械强度和高表面生物活性的三维多孔骨组织支架。方法:以质量比为60∶40的羟基磷... 详细信息

背景:制作出类似天然骨成分和机械强度、表面活性良好且具有多孔结构的三维胶原/双相磷酸钙支架是骨组织工程研究的一个难点。目的:制备兼具高孔隙率、高机械强度和高表面生物活性的三维多孔骨组织支架。方法:以质量比为60∶40的羟基磷灰石与β-磷酸三钙为浆料,利用3D打印技术制备双相磷酸钙支架,高温烧结后,分别以0.5,1.0,1.5g/L的Ⅰ型胶原溶液对支架进行涂覆处理,制备胶原/双相磷酸钙支架,通过表观形貌、孔隙率、吸水率、机械性能测试筛选最佳Ⅰ型胶原溶液涂覆质量浓度,进行细胞实验。将大鼠骨髓间充质干细胞分别接种于双相磷酸钙支架与胶原/双相磷酸钙支架上,培养1,7d,Calcein-AM染色观察细胞活性;培养1,3,7d,Alamar Blue法检测细胞增殖。结果与结论:①当Ⅰ型胶原溶液涂覆质量浓度为0.5g/L时,胶原/双相磷酸钙支架具有良好的孔隙率与吸水率,抗压强度为(4.99±0.15)MPa,压缩模量为(95.24±0.57)MPa,符合天然松质骨的机械强度要求,细胞实验选择此涂覆质量浓度;②两种支架都支持骨髓间充质干细胞的生长,培养至7d时,细胞在胶原/双相磷酸钙支架表面已基本长满,大多呈梭形或星形,细胞伸展良好,排列紧密,在支架上黏附形成网状结构,但双相磷酸钙支架上还有部分区域无细胞黏附;③两组支架中培养1,3d的细胞增殖比较差异无显著性意义(P>0.05),胶原/双相磷酸钙支架上培养7d的细胞增殖快于双相磷酸钙支架(P<0.05);④结果表明在保证孔隙率、高机械强度的情况下,Ⅰ型胶原溶液涂覆可提高双相磷酸钙支架的生物活性。

关键词： 3D打印双相磷酸钙胶原涂覆细胞活性生物材料骨组织胶原/双相磷酸钙支架细胞增殖

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