在临床领域,由于器官捐献受到来源数量的限制,事故和疾病等原因造成的对各种再生组织和器官的需求日益增加,在体外制造具有生物相容性的再生组织和器官成为了当今社会广泛关注与加大投入力度的重要领域。组织工程自1993被提出以来,围绕组织和器官的体外制造已取得了一些阶段性成果,例如几何及内部结构较为简单的皮肤、骨软骨、膀胱等组织和器官的再造,已经进入临床或处于临床试验阶段,但对于厚度或体积较大的大块组织和器官的体外制造至今还未进入临床试验阶段,例如心脏、肾脏、大块骨等组织和器官。这主要是由于大块组织和器官结构较为复杂,其内部交错的血管网络是保证组织和器官内细胞存活以及组织成功修复的基础,因此,如何在体外组织和器官内构建模拟人体自然血管网络,采用组织工程的手段制造出具有复杂三维血管网络的生物支架,促进组织体外的培养,提高组织修复的效率,已成为国内外学者亟待解决的一大难题。基于含有复杂三维血管网络的生物支架的制备工艺及其装备的关键技术研究因此也具有极为重要的研究意义和应用价值。本学位论文针对大块组织缺损修复存在的关键技术问题,以研究含三维血管网络的生物支架的制备工艺及设备的关键技术为主线,以工艺过程可控、血液动力学流动模型、仿真分析为基础,以生物支架在体外和体内均具有生物相容性为宗旨。提出了增材制造与牺牲工艺相结合的复合工艺,系统地阐述了热熔挤出打印三维牺牲模块与三维血管网络的制备,重点围绕制备过程工艺参数,血液流动所产生的壁面剪切环境,所制备的生物支架的体外及体内生物相容性展开理论与试验研究。为生物支架的材料、三维血管网络的结构优化、验证生物支架的有效性提供可靠的理论依据和试验基础。论文的研究内容与研究成果主要包括以下几个方面:1)根据模拟人体真实血管网络的基本原则,本文提出了一种多工艺复合制备含三维血管网络的生物支架的方法:将牺牲材料进行热熔挤出打印,采用回转式接收装置获得含有三维几何形状的牺牲模块,使制备的血管网络具有相应的三维结构,血管网络可为加载的细胞提供营养物质的传输通道。详细阐述了三维牺牲模块的打印原理及生物支架的制备工艺,设计并搭建了三维牺牲模块打印系统的框架、组成和功能。2)结合人体真实血管网络,采用滚筒式装置和阶梯式装置,获得在轴向和径向都呈现出三维结构的牺牲模块;研究阶梯式装置中的倾斜角度对三维牺牲模块结构的影响;在生物支架中制备滚筒式血管网络和阶梯式血管网络。3)对当前常用的牺牲材料Pluronic F-127、海藻酸钙与PVA进行对比试验分析,从机械性能、可打印性以及溶解膨胀率三个方面研究PVA打印牺牲模块的优势,验证了采用PVA作为牺牲材料打印三维牺牲模块制备含三维血管网络的生物支架的有效性。4)以人体血液流动所需要的壁面剪切应力为研究对象,采用数值模拟的方法,对血液在三维血管网络中的流动进行仿真分析,建立血液流动的数学模型,研究本文所制备的血管网络的结构对于血液流动过程中产生的壁面剪切效应的影响,从理论上验证三维血管网络结构的合理性。5)针对所制备的生物支架的细胞相容性,将内皮细胞植入三维血管网络内,借助荧光标记来研究细胞粘附,细胞活性,细胞形态,细胞形成新生血管的能力,借助还原反应来研究细胞在生物支架内的增殖能力,借助大分子的扩散来研究细胞功能,验证所制备生物支架的细胞相容性以及生成血管过程中所需的内皮细胞层的形成;面向组织工程与临床医学应用,将含三维血管网络的生物支架植入动物体内进行共培养,组织学对比观察生物支架的体内相容性、血管网络的功能与生物支架的降解现象,验证含三维血管网络的生物支架的降解性能、组织修复功能以及促血管化作用。