壳聚糖基原位复合仿生型骨组织工程支架的制备及其性能研究

摘要

针对骨组织主要是由低结晶度纳米羟基磷灰石和胶原蛋白、蛋白多糖等有机基质巧妙结合在一起形成的具有复杂分级结构的天然生物复合系统，本研究模仿骨组织形成过程中无机钙磷矿物在有机基质生物大分子调控下原位析晶过程，采用原位复合制备方法在成分仿生的基础上进行结构仿生制备骨组织工程支架材料。本研究在材料制备机理方面充分考虑天然骨组织的组成、结构及有机生物分子和低结晶度羟基磷灰石的特性，采用温和的制备工艺条件，所制备的材料可以根据使用部位和形状的具体要求，实现材料的可随意赋形再加工性。 基于成分仿生物理混合的支架材料中纳米羟基磷灰石合成的重要性，采用自组织仿生法和溶胶—凝胶法(sol—gel)制备纳米羟基磷灰石。为了揭示原位复合的优越性，采用sol—gel制备的纳米羟基磷灰石为无机组分，与壳聚糖有机基质构成壳聚糖/纳米羟基磷灰石(CS/HAP)物理混合支架作为后续原位复合支架的对照样品。 作为对照样品的物理混合支架(CS/HAP)，其孔径分布不够均匀，孔连通性相对较差，加入的纳米级的sol—gel颗粒在支架中分布不够均匀，只有少量以纳米尺度分散在支架上，可以明显的看到许多颗粒在混合过程中再次团聚成微米级的团粒。因此本研究从模仿骨形成过程及成分和结构仿生出发，采用原位复合制备了壳聚糖/羟基磷灰石原位复合支架(CS/HAP in situ)、壳聚糖/透明质酸/羟基磷灰石原位复合支架(CS/HYA/HAPin situ)和壳聚糖/胶原/羟基磷灰石原位复合支架(CS/COL/HAP in situ)。经原位复合制备的多孔支架，纳米羟基磷灰石(nano—HAP)颗粒均匀分布在有机大分子的基相中，支架具有较好的孔隙率和连通孔隙结构，孔尺寸在90～210μm之间。由于原位复合支架组分的不同，支架上形成的纳米羟基磷灰石的效率和形貌也有一定的差异。对于CS/COL/HAP in situ原位复合支架，利用原位复合实现了微米、纳米尺度的多级结构。 由TG分析表明由于不同的活性基团介导纳米羟基磷灰石原位结晶效率的不同使得不同组分的原位复合支架的纳米羟基磷灰石产率是有差别的。采用Uv—vis、XRD、FTIR、XPS、TG结合化学反应热力学、化学反应动力学对原位复合支架形成过程及支架形成前后理化性能变化进行分析，Uv—vis分析表明，CS与Ca2+在溶液中有比较强的相互作用；结合XPS分析，发现原位析出的羟基磷灰石是以有机生物分子为模板通过非均匀成核和晶体生长机理形成。此外，进一步利用FTIR和XPS对CS、HYA、COL在原位复合前后的变化分析原位诱导结晶过程，发现生物分子特定的结构及活性基团对HAP结晶具有重要影响。羟基、氨基等基团对羟基磷灰石原位结晶具有一定的诱导作用，但只是靠静电、吸附等弱的结合力；而羧基则对原位形成的纳米HAP具有显著的诱导作用，它和原位形成的纳米HAP具有比较强的化学键合作用。由于生物大分子结构和基团之间的相互作用的差别及纳米分散的羟基磷灰石使得支架宏观强度和弹性模量具有明显差别，与物理混合支架(CS/HAP)相比，采用原位复合制备的支架中纳米羟基磷灰石的原位形成降低了有机/无机界面能，纳米分散的纳米羟基磷灰石和生物大分子件的组分优化促使了支架强度和弹性模量的提高。 仿生矿化表明原位形成的纳米HAP具有很好的介导矿化的特性，可能是由于不同的有机生物分子调制着HAP的成核、尺寸及定向生长速率，使得仿生矿化羟基磷灰石结晶和形貌存在一定的差别，原位复合支架表现出比较好的生物活性。 采用健康成人骨髓间充质干细胞建立体外评价模型，通过MTT增殖实验、细胞蛋白含量和ALP活性测定、扫描电镜(SEM)观察、HE切片观察结合倒置相差显微镜动态观察材料—细胞相互作用，考察原位复合生物活性骨修复支架材料的生物学特性。细胞体外评价显示出了原位复合支架材料构筑了一种具有良好生物相容性、生物活性和成骨活性的类细胞外基质。原位复合支架CS/COL/HAP in situ体现出了最优的细胞生长、增殖、代谢和成骨活性。通过体外评价模型对生物支架材料与细胞相互关系行为的理解为生物材料在体内对骨缺损修复的研究提供了重要的依据，同时也表明了原位复合生物活性骨修复支架材料有可能成为一种新型的骨缺损用的组织工程支架材料。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2骨组织工程

1.3骨组织工程支架

1.4骨组织工程支架的仿生制备研究现状

1.5原位复合制备技术

1.6无机矿物自组装及生物分子调控矿化-原位有机／无机复合体的形成

1.6本研究的意义及主要研究内容

1.6.1本研究的目的及意义

1.6.2本研究的主要内容

第二章壳聚糖／纳米羟基磷灰石物理混合支架的制备

2.1引言

2.2实验

2.2.1实验材料

2.2.2实验设备

2.2.3纳米羟基磷灰石的制备

2.2.3壳聚糖／羟基磷灰石物理混合支架(CS／HAP)的制备

2.2.4材料结构及性能表征测试

2.3结果与讨论

2.3.1自组织仿生法制备纳米羟基磷灰石

2.3.2 sol-gel制备纳米羟基磷灰石

2.3.3壳聚糖／羟基磷灰石物理混合支架(CS／HAP)的显微结构

2.4本章小结

第三章壳聚糖基原位复合支架材料的仿生制备及理化性能研究

3.1引言

3.2实验

3.2.1实验材料

3.2.2实验设备

3.2.3壳聚糖基不同组分支架材料的制备

3.2.4测试方法

3.3结果及讨论

3.3.1壳聚糖基原位复合支架的形貌及显微结构

3.3.2壳聚糖基原位复合支架的物相构成分析

3.3.3复合支架的孔隙率及机械性能

3.4本章小结

第四章壳聚糖基原位复合支架形成机理及调控矿化研究

4.1引言

4.2实验

4.2.1紫外-可见光Uv-vis测试溶液配制

4.2.2模拟体液的配制

4.2.3壳聚糖基原位复合支架的仿生矿化实验

4.2.4分析方法

4.3结果和讨论

4.3.1原位复合各组分在液相中的相互作用

4.3.2原位复合结晶的热力学及动力学分析

4.3.3有机基质原位诱导纳米HAP结晶研究

4.3.4原位复合纳米增强机制

4.3.5仿生矿化结果及讨论

4.3.6有机生物分子原位调制成核及对晶体形貌的调控作用

4.4本章小结

第五章壳聚糖基原位复合支架的细胞生物学研究

5.1引言

5.2实验

5.2.1实验试剂和材料

5.2.2 MTT法细胞增殖实验

5.2.3细胞蛋白含量测定(BCA法)

5.2.4 ALP含量测定

5.2.5 HE染色观察

5.2.6细胞和材料共同培养的动态观察

5.2.7扫描电镜观察

5.3结果与讨论

5.3.1材料对细胞黏附、生长的调控作用

5.3.2材料对细胞迁移的调控作用

5.3.3材料对细胞周期的调控作用

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢