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。"

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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。"

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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。"