聚己内酯/淀粉复合骨组织工程支架材料制备与性能的研究

摘要

组织工程是一门新兴的交叉学科,其内涵极为丰富,涉及到生命科学中的一些重大问题,是在体外“复制”生命,因此具有十分重要的科学意义。而作为组织工程三要素之一的支架材料,更是相关领域的研究热点。聚己内酯(PCL)是由ε-己内酯经过开环聚合而成的一种新型聚合物,具有优良的生物降解性能和生物相容性,成为目前支架材料中研究较多的聚合物,在组织工程领域具有很好的应用前景。但是PCL作为支架材料也存在着一些不可忽视的缺点,如结晶程度较高,疏水性强,与细胞亲和性较差,在人体内降解速度缓慢,制约了其在组织工程中的应用范围。 本论文针对PCL,这些不足之处,通过反应挤出方法将亲水性天然高分子化合物淀粉与疏水性高分子化合物PCL进行共混,以此来改善PCL的亲水性和结晶结构,通过调节淀粉不同添加量来控制PCL在模拟人体环境中的降解速率,以及提高材料的细胞粘附性能,由此来提高细胞在支架材料表面的生长和增殖能力。 相容剂MDI能有效改善疏水性PCL与亲水性淀粉之间的相容性,将1％(wt)的相容剂先与PCL混合均匀,再分别与不同质量比例的预糊化淀粉共混,所获得的具有不同淀粉含量的聚己内酯/淀粉共混材料断面均看不到完整的淀粉颗粒,也没有明显的分散相与连续相界面,说明淀粉与PCL在共混体系中相容性较好。 对所制备的聚己内酯/淀粉共混材料的力学性能、微观结构、结晶性质、热性能等进行表征,以及共混材料的亲水性和在Hank’s平衡盐溶液中的降解性能进行研究,结果表明,聚己内酯/淀粉共混材料的拉伸强度随着淀粉添加量的增加先升后降低,在淀粉添加量达到30％时获得最大拉伸强度,表明适当的淀粉添加量可起到增韧作用；聚己内酯/淀粉共混材料在接近人体温度范围内具有较高的动态模量和适当的阻尼,说明在受到外力冲击时会表现出良好的缓冲能力；随着非品预糊化淀粉添加量的增加,聚己内酯/淀粉共混材料的熔体冷却结晶温度、焓值和结晶度都随之降低,说明淀粉的加入改变了PCL材料的结晶性能；聚己内酯/淀粉共混材料的非等温结晶动力学过程可用Mo法来近似的描述；红外光谱测定结果显示,淀粉的引入增加了材料中的-OH基团的数量,故共混材料的亲水性随淀粉的添加量的增加而提高,在Hank's平衡盐溶液中的水解速度也相应加快。 探讨了采用溶液溶融/颗粒沥析法成型聚己内酯/淀粉多孔支架,首先筛选能与聚己内酯/淀粉共混材料有良好相溶性的溶剂,实验结果显示,聚己内酯/淀粉共混材料在二甲基亚砜(DMSO)和N,N-二甲基甲酰氨(DMF)溶剂中可以完全溶解,形成透明的溶液；然后对氯化钠颗粒、石蜡微球和氯酸钠微球三种致孔剂和致孔剂用量对支架孔隙结构、孔隙率以及力学性能的影响进行了探讨,结果表明,由于NaCl颗粒形状不规则,得到的孔洞形状不规整,孔隙间相互连通程度低,难以控制支架的孔隙率；采用石蜡微球可获得与松质骨相似的球形孔隙,但其不易从支架中去除,而残留的致孔剂会影响细胞的粘附和生长；氯酸钠微球所制得的孔洞圆滑、孔隙结构较规整,孔与孔之间的连通性良好,通过改变微球的粒径和添加量可调控支架的孔形态和孔隙率,所制得的多孔支架具有良好的力学性能,因此,氯酸钠微球是一种性能优良的致孔剂。 将聚己内酯/淀粉多孔支架浸泡在37℃的Hank’s平衡盐溶液中,通过考察多孔支架的吸水率、失重、降解液pH变化、降解过程中材料热性能变化以及多孔支架形貌变化等来研究多孔支架的降解行为,发现,与PCL多孔支架相比,70％PCL/30％starch共混材料多孔支架的吸水率有较大提高,吸水速度加快,吸水饱和时间缩短接近一倍；失重速度较PCL多孔支架快,降解150天的材料失重量是PCL的3倍左右,可见,亲水性淀粉的引入,有利于支架材料在模拟体液中的降解。聚己内酯/淀粉在Hank’s平衡盐溶液中的降解遵循本体降解机理,降解结果使支架原有孔洞结构基本消失,形成完全连通的网状大孔结构。而通过调节淀粉的添加量,能有效调控支架材料的降解性能。 最后,在考察聚己内酯/淀粉共混材料的细胞毒性和细胞亲和性的基础上,构建了细胞-多孔支架修复体系,通过倒置荧光显微镜、激光共聚焦显微镜和扫描电镜对成纤维细胞在多孔支架上的立体培养情况进行了观察,结果显示,与PCL多孔支架相比,成纤维细胞在聚己内酯/淀粉共混材料上能更好地粘附和增殖,表现为成纤维细胞在表面生长数量更多,分布更均匀,形态更为铺展,MTT活性更高；PCL和50％PCL/50％starch共混材料的细胞粘附性能不好,细胞在其支架表面容易长成细胞节结。细胞在70％PCL/30％starch和90％PCL/10％starch共混材料支架表面生长基本呈现铺路石状,表明细胞在这些材料表面有较好的粘附性。成纤维细胞在70％PCL/30％starch材料制成的多孔支架内表面铺展生长、分布比较均匀。可见,适量的淀粉含量可提高支架材料的细胞粘附性能,有利于细胞的生长和增殖。 本论文的研究显示聚己内酯/淀粉共混材料可望成为较理想的组织工程支架材料,而上述的研究结果将为其今后进一步研究和应用奠定基础和提供参考数据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1人体骨组织结构及修复的研究现状

1.1.1前言

1.1.2骨的组成和结构

1.1.3骨组织生长和缺损

1.1.4骨组织的修复现状

1.2组织工程的概念和原理

1.2.1组织工程的概念

1.2.2组织工程的原理

1.3组织工程研究内容

1.3.1种子细胞

1.3.2生长因子

1.3.3支架材料

1.4组织工程支架材料的种类

1.4.1天然类组织工程支架材料

1.4.2合成类组织工程支架材料

1.5组织工程多孔支架的设计和制备

1.5.1组织工程支架的要求

1.5.2组织工程多孔支架的制备方法

1.6本论文的研究意义及研究内容

1.6.1研究意义

1.6.2研究内容

第二章聚己内酯/淀粉共混材料的制备及其结构和性能的表征

2.1前言

2.2实验材料及主要实验仪器

2.2.1实验材料

2.2.2实验仪器

2.3实验方法

2.3.1聚己内酯/淀粉共混材料的制备

2.3.2聚己内酯/淀粉共混材料结构和性能的表征

2.4结果与讨论

2.4.1淀粉不同添加量对聚己内酯/淀粉共混材料表面形貌的影响

2.4.2淀粉不同添加量对聚己内酯/淀粉共混材料力学性能的影响

2.4.3淀粉不同添加量对聚己内酯/淀粉共混材料动态热机械性能的影响

2.4.4淀粉不同添加量对聚己内酯/淀粉共混材料化学结构的影响

2.4.5淀粉不同添加量对聚己内酯/淀粉共混材料结晶性能的影响

2.4.6聚己内酯/淀粉共混材料的非等温结晶动力学和等温结晶动力学

2.4.7淀粉不同添加量对聚己内酯/淀粉共混材料亲水性能的影响

2.4.8淀粉不同添加量对聚己内酯/淀粉共混材料降解性能的影响

2.5总结

第三章溶剂溶融/粒子滤沥致孔法制备聚己内酯/淀粉共混材料三维多孔支架

3.1前言

3.2实验材料及主要实验仪器

3.2.1实验材料

3.2.2主要实验仪器

3.3实验方法

3.3.1 70％PCL/30％starch共混材料的制备

3.3.2良性溶剂的选择

3.3.3致孔剂的制备

3.3.4聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架的制备

3.3.5聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架的性能测试

3.4结果与讨论

3.4.1溶剂的选择结果分析

3.4.2氯化钠颗粒致孔剂的制备结果分析

3.4.3石蜡微球致孔剂的制备结果分析

3.4.4水溶性氯酸钠致孔剂的制备结果分析

3.4.5三种不同致孔剂对聚己内酯/淀粉共混材料支架制备的影响结果分析

3.4.6可溶性氯酸钠微球制备聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架

3.5结论

第四章聚己内酯/淀粉共混材料三维多孔支架的体外降解性能研究

4.1前言

4.2实验材料及主要实验仪器

4.2.1实验材料

4.2.2主要实验仪器

4.3实验方法

4.3.1聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架的制备

4.3.2聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架的降解实验及性能测试

4.4结果与讨论

4.4.1聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架的吸水率结果分析

4.4.2聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架的失重结果分析

4.4.3聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架的pH值变化结果分析

4.4.4聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架的热性能变化结果分析

4.4.5聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架降解后的形貌变化结果分析

4.5本章总结

第五章聚己内酯/淀粉共混材料表面细胞相容性及多孔支架的体外三维培养

5.1前言

5.2实验材料及主要实验仪器

5.2.1实验材料和试剂配制

5.2.2主要实验仪器

5.3实验方法

5.3.1成纤维细胞的分离与培养

5.3.2材料表面细胞相容性的测试

5.3.3聚己内酯/淀粉共混材料多孔支架细胞体外三维培养实验

5.4结果与讨论

5.4.1成纤维细胞的生长形态观察结果分析

5.4.2成纤维细胞生长曲线测定结果分析

5.4.3成纤维细胞增殖活力测定结果分析

5.4.4成纤维细胞在聚己内酯/淀粉共混材料表面生长形态的观察结果分析

5.4.5细胞—支架复合物的构建及成纤维细胞的体外三维培养

5.5本章总结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢