基于3D打印的长节段复合结构坐骨神经组织工程支架的微结构仿生设计与制备

The research on the artificial nerve is a hot topic in the field of the nerve repair, and the research of long tissue engineering scaffold is a difficult point. This project aims at the bionic design of the microstructure and 3D printing of the scaffold of sciatic nerve of New Zealand rabbits. It includes the following contents: Building the nerve tissue engineering scaffold with bionic characteristics by analyzing the microstructure and biomechanical properties. Exploring the new theory of bionic optimization design of the nerve tissue engineering scaffold with long, multi-materials and composite structure. Analyzing the relationships among the polymer, collagen and carbon nano-tube, and exploring the impacts of the distribution and ratio of carbon nano-tube on the regeneration of nerve cells, the degradation rate and conductivity of scaffold. Analyzing the release process of the nutrition factor and the ancillary drug, and exploring the impacts of the microstructure of the scaffold on the nerve regeneration process. Matching the degradation rate of the scaffold and the nerve regeneration rate. Developing the nerve scaffold 3D printer and investigating the building method of nerve scaffold. Exploring the controlling mechanism of shape and performance of the scaffolds during the 3D building process. The purpose of this project is to exploring the new theories of the optimal design and rapid manufacturing of nerve tissue engineering scaffold with long, multi-materials and composite structure. Make the degradation rate of the scaffold to match the nerve regeneration rate, and make the scaffold have good mechanical properties.

组织工程神经（人工神经）是神经修复领域的研究热点，长节段组织工程神经支架的研究又是其中一个难点。本项目以兔坐骨神经的组织工程支架的微结构仿生优化设计与3D打印制备为研究对象，对其中的关键科学问题进行研究，具体内容包括：建立具有仿生特性、微结构可控的神经支架模型，探索长节段、多材料、复合结构支架的仿生优化设计新理论；研究支架中的聚合物、胶原与碳纳米管等材料间的协调关系，重点揭示碳纳米管的比例、分布等因素对神经细胞再生、降解速度、导电性能的影响机理；揭示支架微结构对神经再生的影响规律，掌握植入支架内的营养因子、辅助药物的缓释过程，实现材料降解速度与神经再生相匹配；构建神经支架3D打印平台，揭示三维堆积过程中的微成形单元体的控形、控性机理。本项目旨在探索长节段、多材料、复合结构组织工程神经支架的优化设计新理论与制备新方法，实现支架材料降解的速度与神经再生的速度相匹配，并使支架具有最佳力学性能。

人工神经导管（组织工程神经）是神经修复领域的研究热点，长节段人工神经导管的研究又是其中一个难点。本项目对多通道人工神经导管微结构优化设计与3D打印制备进行了研究。提出了一种基于柱坐标系的人工神经导管3D打印方法，制备了具有多层多通道人工神经导管，可制备不同管径、管长和壁厚的人工神经导管。与传统的基于直角坐标系3D打印相比，不会出现打印长径比大的人工神经导管时发生失稳。打印过程中电子齿轮比在比值为（100:1~300:1）范围内时，打印质量较好。扫描速度在0.8~1 mm/s的范围内为合理的行走速度范围。较为理想的加速度范围为[2，10]mm/s2。利用模具法制备了其具有内外层复合嵌套结构的人工神经导管，导管外层为半透性薄膜，内层多通道支架通过对梯度微槽薄膜的卷曲而成，具有不同的孔隙直径与孔隙率，孔隙直径与薄膜上微槽面积基本上呈正相关趋势。对梯度分子量导管进行体外模拟降解实验，表明在相对较短时间内，导管的降解情况均不是很明显，但分子量升高，降解情况有放缓趋势。分别对导管外层薄膜和组装完成后的导管进行力学轴向拉伸和径向压缩试验，结果表明新型多通道复合结构神经导管具备良好的机械性能，具备进一步体内实验要求。经过体外细胞毒性实验，结果显示导管材料具备可靠的生物亲和性。采用静电纺丝法制备复合纳米纤维薄膜，利用3D打印法制备PEEK材料的压印模具，通过对薄膜进行压印-卷曲制备出了多通道人工神经导管。通过改性极大地提高了亲水性。多层沟槽结构的神经导管具有多个管腔壁，比表面积增大了四倍到八倍，有利于细胞浸润和增殖，且管内壁具有精确地沿着纵轴排列的取向形貌。项目研究的人工神经导管的制备方法，在长节段多通道人工神经导管的制备方面有良好的应用前景。