明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺

doi:10.12307/2023.977

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (3): 398-403.doi: 10.12307/2023.977

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明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺

许晓东1，2，周骥平3，张琦3，冯辰1，2，朱勉顺1，史宏灿4

1扬州工业职业技术学院，江苏省扬州市 225127；2江苏省新材料塑性成形智能化应用工程研究中心，江苏省扬州市 225127；3扬州大学机械工程学院，江苏省扬州市 225127；4扬州大学医学院，江苏省扬州市 225009

收稿日期:2022-11-21 接受日期:2023-01-18 出版日期:2024-01-28 发布日期:2023-07-10
通讯作者: 周骥平，博士，教授，博士生导师，扬州大学机械工程学院，江苏省扬州市 225127
作者简介:许晓东，男，1988年生，江苏省扬州市人，博士，讲师，主要从事3D打印技术和组织工程支架方向研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81770018)，项目负责人：史宏灿；扬州市-扬州大学科技合作项目(SCX2017020015)，项目负责人：周骥平；江苏省高等学校基础科学(自然科学)研究面上项目 (21KJD460010)，项目负责人：许晓东；2021年度校级科研课题(自然科学)项目(2021xjzk003)，项目负责人：许晓东

3D printing process of gelatin/oxidized nanocellulose skin scaffold with high elastic modulus and high porosity

Xu Xiaodong1, 2, Zhou Jiping3, Zhang Qi3, Feng Chen1, 2, Zhu Mianshun1, Shi Hongcan4

1Yangzhou Polytechnic Institute, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; 2Jiangsu Province Engineering Research Center of Intelligent Application for Advanced Plastic Forming, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; 3College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; 4Medical College, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu Province, China

Received:2022-11-21 Accepted:2023-01-18 Online:2024-01-28 Published:2023-07-10
Contact: Zhou Jiping, MD, Professor, Doctoral supervisor, College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China
About author:Xu Xiaodong, MD, Lecturer, Yangzhou Polytechnic Institute, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China; Jiangsu Province Engineering Research Center of Intelligent Application for Advanced Plastic Forming, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 81770018 (to SHC); Yangzhou-Yangzhou University Science and Technology Cooperation Project, No. SCX2017020015 (to ZJP); Basic Science (Natural Science) Research Project of Institutions of Higher Learning in Jiangsu Province, No. 21KJD460010 (to XXD); 2021 University-Level Scientific Research Topic (Natural Science) Project, No. 2021xjzk003 (to XXD)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

弹性模量：是描述材料或结构在应力下发生形变的物理量，应力与应变的比值称为弹性模量。弹性模量与材料本身和材料的形状有关，比如将凝胶材料制备成实心结构或多孔结构其弹性模量会发生改变，将试件作为整体测试弹性模量，结果与材料本身的弹性模量是不一样的。在皮肤支架的临床应用中，抗压性能是最重要的力学指标，故通常认为弹性模量越大力学强度越好。

3D打印工艺：3D打印是增材成型的一种，明胶/氧化纳米纤维素复合凝胶采用冷挤压成形，其3D打印工艺包括挤出时的温度与压力、喷嘴移动的速度及支架的分形方法等。分形方法是将给定的三维模型通过一定算法进行分层，每层中再按照给定的间隙进行移动轨迹的规划，最终按照规划的轨迹进行布丝成形。填充间隙就是喷嘴移动轨迹中两相邻平行直线的间距。

背景：在采用主动修复治疗手段应对皮肤创伤时，需要使用组织工程技术生成新的组织来代替坏死组织，皮肤支架在创伤修复领域具有良好的应用前景。皮肤支架需要呈现具有一定力学强度的三维多孔结构，以满足细胞增殖分裂的需求，而目前使用的明胶基生物材料力学强度弱，无法达到皮肤支架的使用要求。
目的：针对明胶/氧化纳米纤维素复合材料制备组织工程皮肤支架时使用的3D打印工艺进行研究，重点研究不同工艺参数下制备皮肤支架的孔隙率与其力学强度之间的关系。
方法：从葎草中提取10%浓度的氧化纳米纤维素晶须，再与5%的明胶复合得到明胶/氧化纳米纤维素复合材料，检测明胶与明胶/氧化纳米纤维素复合材料的弹性模量。以明胶/氧化纳米纤维素复合材料为基材，采用3D打印挤压成型方法制备皮肤支架，通过对材料进行力学性能测试和流变特性测试确定挤压成型工艺参数(填充间隙1.5-2.5 mm，0.1 mm均布；气压160-200 kPa)，并以此制备具有三维多孔结构的皮肤支架。对皮肤支架进行了抗压性能的测试并与有限元分析结果相对比，论证了支架打印时的填充间隙与支架孔隙率及力学强度之间的关系。

结果与结论：①通过实验得出，加入10%浓度的氧化纳米纤维素晶须使5%明胶的弹性模量度提升了8.84倍；在气压160 kPa下挤出成型可以得到1 mm直径的丝状凝胶，此时填充间隙从1.5 mm增大到2.5 mm会使支架的理论孔隙率从33%上升到60%，但抗压强度从230 000 Pa降低到95 000 Pa；②结果显示，使用2 mm填充间隙制备得到了理论孔隙率为50%、弹性模量160 000 Pa的皮肤支架，该支架具有清晰的三维多孔结构。

https://orcid.org/0000-0002-7148-4036(许晓东)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 皮肤支架, 弹性模量, 孔隙率, 3D打印, 填充间隙, 氧化纳米纤维素, 复合凝胶

Abstract: BACKGROUND: In the treatment of skin trauma with active repair, tissue engineering techniques are needed to generate new tissue to replace necrotic tissue. Skin scaffolds have a good application prospect in the field of wound repair. Skin scaffolds need to present three-dimensional porous structures with certain mechanical strength to meet the needs of cell proliferation and division. However, the mechanical strength of the currently used gelatin-based biomaterials is weak and cannot meet the requirements of the use of skin scaffolds.
OBJECTIVE: To study the 3D printing process used in the preparation of tissue engineering skin scaffolds by gelatin/oxidized nanocellulose composites, and focus on the relationship between the porosity and mechanical strength of the scaffolds prepared under different process parameters.
METHODS: Oxidized nanocellulose whiskers at 10% concentration were extracted from Humulus scandens and then compounded with 5% gelatin to obtain gelatin/oxidized nanocellulose composites. The elastic modulus of gelatin and gelatin/oxidized nanocellulose composite was determined. Skin scaffolds were prepared by 3D printing extrusion molding using gelatin/oxidized nanocellulose composite as the base material. Mechanical and rheological properties of the composite were tested to determine extrusion molding parameters (filling gap 1.5-2.5 mm, uniform distribution of 0.1 mm; air pressure of 160-200 kPa), and the skin scaffold with a three-dimensional porous structure was prepared. The compressive performance of the skin scaffold was tested and compared with the finite element analysis results. The relationship between the filling gap and the porosity and mechanical strength of the scaffold was demonstrated.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The elastic modulus of 5% gelatin was increased by 8.84 times by adding 10% oxidized nanocellulose whisker. A gel filament with a diameter of 1 mm was obtained by extrusion at the air pressure of 160 kPa. When the filling gap increased from 1.5 mm to 2.5 mm, the theoretical porosity of the scaffold increased from 33% to 60%, but the compressive strength decreased from 230 000 Pa to 95 000 Pa. (2) These findings showed that the skin scaffold with theoretical porosity of 50% and elastic modulus of 160 000 Pa was prepared by using 2 mm filling gap. The scaffold had a clear three-dimensional porous structure.

Key words: skin scaffold, elastic modulus, porosity, 3D printing, filling gap, oxidized nanocellulose, composite gel

中图分类号:

许晓东, 周骥平, 张琦, 冯辰, 朱勉顺, 史宏灿. 明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(3): 398-403.

Xu Xiaodong, Zhou Jiping, Zhang Qi, Feng Chen, Zhu Mianshun, Shi Hongcan. 3D printing process of gelatin/oxidized nanocellulose skin scaffold with high elastic modulus and high porosity [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(3): 398-403.

图/表（结果） 9

2.1 明胶/氧化纳米纤维素复合材料的弹性模量在使用微小力学性能自动测量系统进行材料弹性模量的测定时首先对设备进行标定，通过标准砝码和螺旋测微仪校正测量信号和真实信号之间的对应关系。通过螺旋测微仪调整压头至样品上方2 mm位置，并启动下压，压头经过2 mm的空载之后开始接触样品，工作过程中通过两组电桥记录行程中明胶/氧化纳米纤维素复合材料所制作样品和5%浓度明胶样品的位移变化和应力变化，平均压头每运动0.02 mm记录一次压头的受力和位移，每个样品测试3次，取平均值作为测试结果，测试数据如表1所示。

根据测量结果，可以根据弹性模量的计算公式计算明胶/氧化纳米纤维素样品和5%明胶样品的弹性模量，计算得到5%明胶样品的弹性模量为41 469 Pa，与产品标定的弹性模量相差不到1%，而明胶/氧化纳米纤维素复合材料样品的弹性模量为366 752 Pa，相比较5%明胶样品提升了约8.84倍。
2.2 明胶/氧化纳米纤维素皮肤支架及扫描电镜观测为了观察明胶/氧化纳米纤维素皮肤支架的成型过程及最终得到的微观多孔结构，使用高分辨率的数码相机Canon EOS 80D记录了支架堆积成型的全过程，打印过程中支架的打印分辨率受到单根胶丝打印精度和堆叠方法的影响。图3显示了不同气压下挤出得到的凝胶丝形态，在使用明胶/氧化纳米纤维素复合凝胶进行支架3D打印的过程中，挤出气压在160-200 kPa时都可得到连续的凝胶丝，压强越小凝胶丝越细，在气压160 kPa时凝胶丝直径约1 mm，压强越大凝凝胶丝越粗，在气压200 kPa时凝胶丝直径约2.4 mm。其中越细的凝胶丝直径可以得到打印分辨率更高的三维多孔支架，但气压过小会导致胶丝挤出不流畅，从而出现欠搭接的现象，如图4A所示，气压选择140 kPa时挤出的胶丝无法顺利挤出，凝胶在喷嘴处形成小型凝胶球，导致制备的胶丝无法呈现直线状态；而当气压过大时会导致过堆积现象的出现，如图4B所示，当挤出气压220 kPa时打印得到的凝胶丝堆积在一起，无法得到可靠的三维多孔结构。

针对制备的复合凝胶，使用1.4.3中的打印参数，可以在挤出气压160 kPa时得到打印分辨率相对较高的三维多孔支架，图5A所示是在160 kPa下按照填充间隙2 mm打印得到的三维支架，图中可以看出刚打印得到的支架在饱含水分的状态下具有清晰的三维多孔结构。在将支架冻干脱水，得到如图5B所示的冻干支架，在扫描电镜下观测支架的微观形态，如图6所示，在图中可以清晰地看到由相互垂直的凝胶丝组成的三维多孔结构，其中冻干的凝胶丝上密集分布着大小不一的小孔，这些小孔可以为皮肤细胞的黏附提供便利，同时在凝胶丝之间存在边长约1 mm的方孔，这些方孔在临床上可以为营养液的浸润和代谢物的排出提供三维支撑，这与预期的三维结构一致。

2.3 皮肤支架力学性能测试微小力学性能自动测量系统记录了压头在靠近支架、挤压支架和离开支架过程中的受力变化和位移变化，力和位移之间的关系可以用来表征支架的力学性能。对使用不同填充间隙打印得到的皮肤支架进行力学性能的测试，分别测试了填充间隙为1.5，2和2.5 mm时制备的皮肤支架，每种支架测试3次，取其平均值拟合得到其力-位移曲线，如图7所示。

从图7中可以看出，打印支架时选择的填充间隙会影响支架的力学强度，对于填充间隙1.5 mm的明胶/氧化纳米纤维素支架，需要约770 g(即7.55 N)的作用力可以使其变形2 mm，即相对5 mm的高度变形40%；对于填充间隙2 mm的支架，相对变形40%需要550 g(即5.39 N)的作用力；填充间隙的增加使得支架的力学性能降低，对于2.5 mm填充间隙的支架，相对变形40%只需要平均348 g(即3.41 N)的作用力。与明胶/氧化纳米纤维素浇筑实心样本相比较，三维多孔结构会降低支架的抗压性能，1.5，2和2.5 mm的填充间隙分别使支架抗压性能降低了约30%，51%和71%。
从图7中还可以看出压头在上行的过程中其应力同样存在变化，原因是明胶/氧化纳米纤维素凝胶存在黏弹性，在压头上行的过程中支架也在上行，在此期间压头受到支架垂直向下作用力的影响，图中可以看出各支架在受压后的回弹情况，1.5 mm填充间隙的支架大约可以回弹1.4 mm的高度，相较2 mm的总变形回弹了约70%，2，2.5 mm填充间隙支架的回弹情况类似，都可以实现大约70%的回弹。据此可以得到结论，支架的抗压性能与支架的填充间隙密切相关，而黏弹性与支架的材料有关，与填充间隙关联不大。
2.4 皮肤支架孔隙率计算从上面皮肤支架扫描电镜图片中可以看出，支架上的孔具有不同的直径，其孔径尺寸和孔形成的原因有关。由于材料中水的挥发，在凝胶丝上会存在大量的小孔，该孔仅与材料本身以及支架的含水量有关，与支架的填充方式几乎没有关系；另一种较大的孔是由打印中的填充间隙引起的，并且直接由支架算法确定。根据Solidworks中对不同填充间隙支架模型的物理评估，可以计算得到各支架的理论孔隙率，具体评估结果如表2所示。

表2结果表明，在凝胶丝直径不变的前提下，填充间隙越大，支架的理论孔隙率越大，对于截面1 mm×1 mm的凝胶丝，支架的理论孔隙率从1.5 mm填充时的33%上升到2.5 mm填充时的60%。需要说明的是，在实际应用中由于支架含水量的不同，支架的实际孔隙率会相较理论孔隙率有所增大，增大幅度与支架的脱水程度有关。
2.5 压力模型有限元仿真对三维模型进行压力仿真可以预测支架在外力作用下的变形情况，支架最大变形量和所受外力之间的关系可以用来评价支架的抗压性能。图8所示是填充间隙2.5 mm的三维支架模型在压力1 N时的变形情况，图中不同的颜色表示支架不同部位的变形量。从图中可以看出受力区域的变形最大为0.669 mm，相对于支架5 mm的高度，相对变形量为13.4%，结合压力1 N和受力面积78.5 mm2，可以计算模型的弹性模量约为95 000 Pa。同样的方法可以计算得到填充间隙为2 mm的支架模型在1 N下的最大变形量为0.403 mm，模型的弹性模量约为160 000 Pa，填充间隙1.5 mm的支架模型在1 N下的最大变形量为0.28 mm，模型的弹性模量约230 000 Pa，这与结果2.3中所做的力学性能测试基本一致。

当对模型进行优化后得到复合模型，预计支架的弹性模量可以按照混合定律进行计算，即不同填充间隙模型的弹性模量乘以该模型所占的比例，最终相加得到复合模型的弹性模量。对模型进行优化后，模型共由5层凝胶丝构成，其中3层按2 mm的填充间隙进行填充，占总体积的60%；2层按2.5 mm的填充间隙进行填充，占总体积的40%，根据2 mm填充所得支架的弹性模量为160 000 Pa，2.5 mm填充所得支架的弹性模量为95 000 Pa，可以计算得到该复合模型的弹性模量，预计在1 N的外力作用下最大变形量为0.495 8 mm。图9中所示为该复合模型的有限元仿真结果，仿真结果显示该模型在1 N的外力作用下最大变形量为0.492 3 mm，与预测结果误差范围小于1%。通过对该模型进行物理性能的评估可以得到该模型的理论孔隙率为54%，同样与混合定律计算得到的理论孔隙率相一致。

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引言

皮肤是人体最大的器官，它包裹在人体表面，发挥保护、排泄、调节体温和感受外界刺激等功能。皮肤组织易受外界的影响而出现各种形式的创伤，皮肤创伤修复需求大，中国每年慢愈合创面3 000万人次以上[1]。传统医学采用等待修复，即通过手术、器件等方法进行修复，更先进的创伤修复技术采用主动促进修复，即在手术、器件、敷料的基础上通过生物治疗的方法进行皮肤创伤的修复[2-3]。
在创伤修复技术中，创新敷料在创面愈合过程中发挥重要的作用，包括保持创面湿润[4]、促进坏死组织和纤维蛋白溶解、保持并促进多种生物活性因子释放[5-6]、加速肉芽组织形成以及减轻疼痛和减少伤口感染风险等[7]。理想的创新敷料需要保证不与新生肉芽组织粘连，避免在更换敷料时再次产生机械性损伤[8-9]。
采用主动修复治疗手段时，若皮肤组织受到严重损伤，缺少再生必需的基础组织，就需要通过组织工程技术生成新的组织来代替原有组织，即利用工程学和细胞生物学的原理和方法，在创面或体外用皮肤支架和种子细胞共同建立与正常人体皮肤结构和功能相近的组织工程皮肤，以此修复、替代缺损的皮肤组织[10]，这种组织工程技术具有良好的应用前景。使用的皮肤支架需要呈现具有一定力学强度的三维多孔结构，以满足细胞增殖分裂的需求，同时需要具备多孔毛细结构以便吸收浸出液，在保证创面湿润的同时控制浸出液的数量[11-12]。
目前关于皮肤支架制造方法研究的一个主要问题在于天然组织结构的异质性难以模仿[13]。普通的三维结构缺乏提供营养和排除废物的脉管系统，使得支架内部的细胞难以存活[14]。另一个难题是用于3D打印制备皮肤支架的可降解生物材料不能满足皮肤支架的高机械性能的要求[15]。目前常见的凝胶材料如胶原蛋白、明胶等虽具有良好的生物相容性，但皆存在力学性能薄弱问题，不能满足临床应用，而在使用交联剂强化材料力学性能的同时也会提升材料的黏度，从而在支架物理性能和生物性能的权衡中产生关于材料黏度的矛盾，即在制造支架的过程中支架微观分辨率随黏度增加而提高，但在挤出时需要较大的压力和剪切应力，这会降低生物细胞的活性[16]。对支架的3D打印工艺展开研究，是克服黏度矛盾、得到高强度组织支架的有效手段。
除了材料本身物理性能之外，3D打印皮肤支架时使用的打印参数(如胶丝直径、分布间隙以及胶丝的分布方法)也会影响支架的结构强度。通常来说，打印支架时的胶丝分布越密集，则支架整体的力学强度越好，但支架的孔隙率则越低，细胞增殖分裂的空间越小，且支架代谢所需的时间越长[17-18]；
而胶丝分布得越分散，则支架的孔隙率越高，细胞生长空间越大，但支架的力学强度越低[19]。因此，分析支架打印时形成的微观孔隙结构与力学强度之间的关系，构建孔隙率、力学强度之间的数学模型，对制备孔隙率和结构强度都满足临床使用需求的组织工程皮肤支架具有非常重要的意义[20-21]。
针对以上问题，此次实验将针对明胶/氧化纳米纤维素制备组织工程皮肤支架时使用的3D打印工艺进行研究，重点研究不同工艺参数所制备皮肤支架的孔隙率与其力学强度之间的关系，以期获得力学性能较好且具有多孔隙三维结构的组织工程支架，为组织工程皮肤支架的制备提供数据参考。同时，支架的微观多孔结构对于细胞的生长、增殖和代谢都有非常重要的影响，孔隙率和孔径都是临床上衡量皮肤支架的重要参数，观察明胶/氧化纳米纤维素皮肤支架的微观结构也能为支架的临床应用提供技术支持。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计明胶/氧化纳米纤维素皮肤支架的制备、打印和测试。
1.2 时间及地点实验于2022年3-9月在扬州大学草业机械实验室完成。
1.3 材料使用的3D打印机是杭州捷诺飞生物技术有限公司生产的Bio-Architect-Pro。微小力学性能自动测量系统是扬州大学机械工程学院开发制作的[22]。扬州大学动物科学与技术学院从葎草茎(Humulus Japonicus stem)提取纤维素[23]。明胶购自上海阿拉丁生化科技有限公司。
1.4 实验方法
1.4.1 明胶/氧化纳米纤维素复合材料的制备作为胶原蛋白水解的产物，明胶由于其亲水性和优异的生物相容性，是制备生物支架时最常见的基质材料，其通常与糖氨聚糖或氧化纳米纤维素复合使用，通过交联反应提升其力学强度使其能满足临床使用的需求。此次实验从葎草中提取氧化纳米纤维素，再与明胶复合得到皮肤支架所需的复合凝胶材料。
利用硫酸水解法和高温高压处理得到的纤维素纳米晶须，其制备过程详见之前的研究报道，且被证明具有良好的生物相容性[23]。简单概述为：将烘干后的葎草粉末通过蜡脂萃取[24](无水乙醇抽提12 h去除蜡脂物质)、碱处理(4%浓度氢氧化钠溶液按1∶15质量体积比80 ℃蒸煮2 h)和漂白处理(pH=5的亚氯酸钠溶液按纤维干质量∶亚氯酸钠溶质质量等于5∶1的比例在80 ℃下搅拌1 h，重复3次)得到pH中性的葎草纤维，再通过硫酸水解法[25](纤维素干质量∶硫酸体积=1∶20的硫酸溶液45 ℃下搅拌1 h)、离心透析得到pH为中性的纤维素纳米晶须，最终通过高温高压处理(含量2%的葎草纤维素悬浮液在钛合金高压釜140 ℃环境下处理2 h)得到长径比约60的高温高压纤维素纳米晶须[26]。按照每20 g高温高压纤维素纳米晶须加入80 g超纯水的比例加入超纯水制备20%浓度的氧化纳米纤维素悬浊液，并与10%浓度明胶悬浊液按体积比1∶1混合、交联制备得到实验所需的明胶/氧化纳米纤维素复合材料。材料在进行3D打印前还经过了紫外线除菌处理。最终放置于桶状容器内并在4 ℃的冰柜中冷藏保存。
1.4.2 明胶/氧化纳米纤维素复合材料弹性模量检测皮肤支架在临床使用上的力学性能指标主要是抗压性能和抗拉性能，材料的弹性模量是影响这些性能的重要指标。此次实验利用扬州大学机械工程学院开发制作的微小力学性能自动测量系统进行材料弹性模量的测量，测量原理见之前的研究报道，即用两组差动电桥分别测量材料样品的应力和应变[22]。取明胶/氧化纳米纤维素复合材料，通过浇筑的方法在聚四氟乙烯所做的模具中成型得到直径20 mm、高度4 mm的圆柱体试样，将试样放在测量系统的测试台上，用直径10 mm的圆盘形压头进行测试，压头按下行速度0.5 mm/s的速度施加单方向压应力，测量量程2 mm，记录实验中的应力和应变，并以此为依据计算材料的弹性模量。同时用5%浓度明胶悬浊液制作相同体积样品作为参照，根据采购单位所提供数据，5%明胶样品泊松比Pm为0.5，模量E为41 000 Pa。
1.4.3 制备明胶/氧化纳米纤维素皮肤支架将明胶/氧化纳米纤维素复合材料在60 ℃下进行水浴加热，待材料完全液化后用磁力搅拌子进行搅拌，搅拌后装入打印机的料筒中，运用Solidworks建立20 mm×20 mm×5 mm的长方体模型，按照不同填充间隙(1.5-2.5 mm，0.1 mm均布)生成3D打印的工艺文件，根据材料的流变特性(4 ℃下约为20 Pa·s)设定打印机的各项参数[27-28]：喷嘴温度为5 ℃，平台温度为0 ℃，针与载片(0.2 mm厚，铝)之间的间隙为0.4 mm，喷头内腔压力160-200 kPa，喷头移动速度8 mm/s。用0.41 mm直径的喷头完成支架的挤压成型。
1.4.4 皮肤支架微观形态观测使用扫描电子显微镜(SEM，S-4800)来观察支架的微观形态。首先对皮肤支架进行冻干处理，排除水分对扫描电镜结果的影响，在金喷镀处理(Sputter Coater SCD 500型离子溅射机)之后进行扫描电镜成像处理，成像参数包括：减速电压为0 V，加速电压1 500-15 000 V，校准速度为21，发射电流10 000 nA，最终得到分辨率为
1 280×960的皮肤支架微观图像。
1.4.5 皮肤支架力学性能测试取皮肤支架样品，放在测量系统的测试台上，压头按下行速度0.2 mm/s的速度施加单方向压应力，下压量程2 mm，在完成下压量程后压头向上回到初始位置，上行速度0.2 mm/s，记录试验中的应力和应变情况。
1.4.6 有限元分析验证

建立三维模型：运用三维建模软件Solidworks模仿皮肤支架的三维简支梁结构构建微观多孔模型，用截面为1 mm×1 mm的长方体来对20 mm×20 mm×5 mm的长方体支架模型进行填充，填充方法如图1所示，根据不同的填充间隙构建多个三维模型。

孔隙率计算：由于明胶/氧化纳米纤维素复合材料中含有大量水分，其制备的皮肤支架的孔隙率与支架所含水分的多少有关，支架中水分挥发的程度会与支架的微观三维结构共同影响最终的孔隙率。通过三维软件可以有效评估胶丝分布间隙对孔隙率的影响，在建模软件中通过测量功能测量支架的实际长度L，宽度W和高度H，输入材料密度后可以评估得到支架的实际质量，从而评估不同填充间隙三维支架的孔隙率。

压力模型有限元仿真：在Solidworks中在支架模型的上、下表面分别建立支撑板和圆形的压头，如图2A所示，通过ANSYS Workbench中建立由几何结构和静力学分析构成的项目系统，如图2B所示。在Mechanical模型中打开Solidworks所建立的支架模型，并对其物理参数进行设置，其中材料的泊松比被设置为0.5，弹性模量为360 000 Pa，在完成材料的设置之后对模型进行网格化划分，得到了如图2C所示的网格化模型，共计有170 000个网格，920 000个节点。在压头上设置垂直向下的作用力，大小为1 N，设置支撑板为固定支撑，运行静力学仿真。计算不同填充间隙下各支架模型的变形情况。

模型优化：在Solidworks中对支架的微观模型进行优化，对微观模型进行填充间隙的调整，建立一个上方密集分布，下方稀松分布的三维模型，具体为表面3层的填充间隙为2 mm、下方2层的填充间隙为2.5 mm，测试支架孔隙率和支架抗压性能。
1.5 主要观察指标明胶与明胶/氧化纳米纤维素复合材料的弹性模量；明胶/氧化纳米纤维素皮肤支架的孔隙率与力学强度。

明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺

3D printing process of gelatin/oxidized nanocellulose skin scaffold with high elastic modulus and high porosity

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