有机化工论文_可挤出打印的高分散性石墨烯基聚

文章目录

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯基材料的组织工程领域研究进展

1.3 3D打印石墨烯基材料研究进展

1.4 可用于组织工程的3D打印墨水研究进展

1.5 研究内容和技术路线

    1.5.1 研究内容

    1.5.2 技术路线

第2章 石墨烯聚氨酯生物墨水(GO-PU)的合成与表征

2.1 引言

2.2 材料与方法

    2.2.1 主要耗材与试剂

    2.2.2 主要仪器与设备

    2.2.3 GO-PU的设计与合成

    2.2.4 GO-PU的结构表征

    2.2.5 GO-PU的性能表征

2.3 实验结果及讨论

    2.3.1 GO-PU的合成及表征

    2.3.2 GO-PU的性能表征

2.4 小结

第3章 基于GO-PU材料的3D打印性能评价

3.1 引言

3.2 材料与方法

    3.2.1 主要耗材与试剂

    3.2.2 主要仪器与设备

    3.2.3 可分散性评价

    3.2.4 墨水粘度及流变学评价

    3.2.5 3D打印制备GO-PU支架

3.3 实验结果及讨论

    3.3.1 GO-PU具有优异的可分散性

    3.3.2 GO-PU具有可调的粘度

    3.3.3 GO-PU可用于3D打印加工制备高精度支架

3.4 小结

第4章 基于GO-PU复合材料的理化性能评价

4.1 引言

4.2 材料与方法

    4.2.1 主要耗材与试剂

    4.2.2 主要仪器与设备

    4.2.3 PLGA/GO-PU及 PEGDA/GO-PU复合墨水的制备

    4.2.4 PLGA/GO-PU及 PEGDA/GO-PU复合材料力学性能测试

    4.2.5 复合材料的可打印性测试

    4.2.6 复合材料3D打印支架光热性能及药物载释性能测试

4.3 实验结果及讨论

    4.3.1 GO-PU的添加赋予基体材料更好的力学性能

    4.3.2 GO-PU的添加不影响基体材料的可成型性

    4.3.3 GO-PU的添加赋予基体材料光热性能和药物载释性能

4.4 小结

第5章 基于GO-PU材料的生物相容性评价

5.1 引言

5.2 材料与方法

    5.2.1 主要耗材与试剂

    5.2.2 主要仪器与设备

    5.2.3 细胞毒性实验

    5.2.4 动物毒性实验

5.3 实验结果及讨论

    5.3.1 GO-PU细胞毒性实验结果

    5.3.2 GO-PU动物毒性实验结果

5.4 小结

第6章 总结与后续工作建议

6.1 总结

6.2 后续工作建议

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章摘要:三维（3D）打印构建个性化组织再生的生物支架越来越受到关注,但其性能却受限于当前所采用的生物墨水。二维石墨烯材料自发现以来就引起了广泛关注,多项研究表明,基体材料中掺入石墨烯可显著增强其力学性能和生物学活性。石墨烯基材料表现出了优异的生物医学应用潜力,然而将其应用于3D打印的生物墨水,仍存在以下挑战:（1）石墨烯基材料易聚沉,导致3D打印加工困难或成型后分布不均（2）石墨烯基材料被认为具有潜在的生物学毒性（3）石墨烯基复合墨水的制备过程大多需要复杂的改性针对于此,本文制备了一种石墨烯基聚氨酯材料（GO-PU）,以赋予其优异分散性,可作为挤出生物3D打印墨水,应用于组织工程支架材料。选择双亲性的乙二醇（PEG）作为软段,纳米氧化石墨烯（n GO）和异氰酸酯作为硬段,嵌段形成了网络链聚氨酯结构,使之能够分散于各类3D打印墨水体系,且可通过物理共混的方式与各类组织工程生物墨水进行共加工。同时,我们也全面分析了GO-PU的体内外的生物毒性。主要研究内容及结论如下:（1）GO-PU的合成与表征为了将n GO充分分散于各组加工体系,本文选用PEG作为软段,以六亚甲基二异氰酸酯（HDI）作为硬段,n GO作为扩链剂合成了GO-PU。通过控制投料比令PEG以与异氰酸酯键合的方式穿插于多片氧化石墨烯的表面形成网络状结构。通过ATR-IR,¹H-NMR等多种表征手段表明GO-PU的成功合成。力学实验,凝胶渗透色谱（GPC）等实验表明,当n GO与PEG10000的质量比为0.1%时,GO-PU更倾向于生成网络状结构,拉伸模量达到52 Mpa,断裂伸长率达到480%。这些结果表明GO-PU已被成功合成,并且具有优秀的组织工程应用前景。（2）基于GO-PU材料的3D打印性能评价为了探究GO-PU挤出打印墨水的打印性能,本文对其分散性和流变性进行了详细的表征。结果发现,GO-PU在多种有机和水溶剂中能分散至少24 h;通过流变分析发现,GO-PU的粘度随石墨烯组分的增加而下降。GO-PU自身具有优异的剪切变稀性能,不论是独自加工或是与多种生物墨水进行共混加工,均能制备出高精度的石墨烯器件。（3）GO-PU复合材料的理化性能评价选用了PEGDA和PLGA两种生物墨水作为模型,评价GO-PU与其他生物墨水共混加工时复合材料的理化性能。通过简单混合5%（ww%或wt%）含量的GO-PU制备了PLGA（5%GO-PU）和PEGDA（5%GO-PU）复合生物墨水。力学测试实验发现,掺入GO-PU后,PLGA和PEGDA的压缩/拉伸模量都有了显著的提高。此外,GO-PU的引入令复合材料PLGA（5%GO-PU）和PEGDA（5%GO-PU）拥有光热性能;此外,由于n GO的表面吸附作用,PLGA（5%GO-PU）和PEGDA（5%GO-PU）能够吸附药物,并结合光热特性制备出光控释放的载药支架。这表明GO-PU能够与基体材料共加工制备3D打印的多功能组织工程支架,具有优异的组织工程应用潜能。（4）GO-PU的生物相容性评价为了进一步确证GO-PU的组织工程应用潜能,本文对GO-PU的生物相容性进行了系统评价。选用了3T3成纤维细胞和L929成纤维细胞对GO-PU的体外生物相容性进行表征,发现GO-PU具有优秀的生物相容性;进一步选用Balb/c小鼠模型对GO-PU的体内毒性进行表征,将GO-PU通过皮下注射给药。第三天和第七天的皮下组织切片观察发现没有炎症反应的发生,胶原层完好;第七天取小鼠主要内脏进行HE染色,并取小鼠的血液、血清进行血液生化检测。实验发现与对照组相比其血液学和血液生化指标没有显著性差异,组织器官切片形态与对照组相比无差异,表明GO-PU具有优秀的生物相容性。综上所述,本研究制备的高分散性石墨烯基聚氨酯GO-PU能够在不影响基体材料打印性和成型性的同时将氧化石墨烯充分分散于各类水体系或者有机溶剂体系的3D打印基体材料以制备多功能的、力学增强的、生物相容的石墨烯基组织工程支架,说明这种新颖、简便、通用的将石墨烯材料引入3D打印支架的方法具有很大的组织再生应用潜力。

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