生物活性骨组织工程支架的仿生制备及生物分子调控作用研究

摘要

本研究采用冷冻干燥、纳米合成及仿生矿化技术，以生物活性玻璃(BG)、胶原蛋白(COL)、透明质酸(HYA)、磷酸丝氨酸(PS)为主要成分，仿生制备生物活性骨组织工程支架，并对其理化性能、矿化特点、与细胞的相互作用及体内的骨修复性能等进行系统研究，具体阐述如下： 1.胶原在体外过饱和钙化液中的仿生矿化实验表明，胶原调控矿化生成的矿物相为片状、低结晶度的碳酸羟基磷灰石。碳酸羟基磷灰石晶体在胶原的反应成核位点通过化学键合作用进行自组装，这种自组装结构受胶原大分子与羟基磷灰石晶体之间的相互反应以及胶原分子的微组装能力诱导。 2.胶原的交联研究表明，交联可有效改善胶原作为组织工程材料的生物学和物理性能。当1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺浓度为2mg/ml时，胶原具有最大交联程度，其结构更加紧密有序，热稳定性、结构稳定性以及抵抗降解能力显著增强。 3.以1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺为交联剂，采用冷冻干燥和纳米合成技术制备出高孔隙率、高湿态力学性能及形态稳定性的仿生型BG-COL-HYA-PS生物活性骨组织工程支架。在模拟生理溶液中的体外生物矿化研究表明，胶原蛋白、透明质酸、磷酸丝氨酸生物分子可在调控矿化方面起到重要作用。生物分子中的羧基和磷酸根基团是促进和调控矿化的有利基团，它们对溶液中钙、磷离子的亲和力构成了矿化机制的基础，并调控着矿物的成核、定向、尺寸以及生长速率。胶原不能完成基质矿化的全部功能，磷酸丝氨酸和透明质酸是胶原内矿物沉积的重要引发剂。 4.细胞-生物活性骨组织工程支架的相互作用研究表明，BG-COL-PS-HYA生物活性骨组织工程支架容易被细胞识别并接受为“自体”细胞外基质，细胞在材料的调控作用下发生黏附、生长、迁移并按自身规律完成周期演变。在培养过程中，BG-COL-PS-HYA生物活性骨组织工程支架可以起到类似细胞外基质的模板调控作用生成碳酸羟基磷灰石类骨矿物；体内动物实验表明，BG-COL-PS-HYA生物活性骨组织工程支架植入体内3个月后可在缺损处形成具有完整哈佛氏系统的新生板层骨组织，展现优良的骨修复功能和临床应用前景。

目录

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骨组织工程支架材料的仿生制备及性能研究现状

1.5生物分子调控矿化

1.6本论文的研究内容、研究目的及研究意义

第二章胶原调制羟基磷灰石矿化的仿生性能研究

2.1引言

2.2实验

2.2.1材料

2.2.2仿生矿化实验

2.2.3矿化胶原的特征性表征

2.3胶原的结构特征

2.4结果与讨论

2.4.1胶原基质调制羟基磷灰石晶体仿生形成

2.4.2胶原基质与羟基磷灰石晶体的键合作用

2.4.3自组装机制

2.5小结

第三章交联对胶原生物学和物理性能的影响

3.1引言

3.2实验

3.2.1主要材料

3.2.2胶原交联

3.2.3胶原交联特征分析

3.3结果与讨论

3.3.1胶原交联前后官能团特征

3.3.2胶原的交联度

3.3.3胶原交联前后显微结构

3.3.4胶原交联前后热稳定性

3.3.5胶原交联前后结构稳定性

3.3.6胶原交联前后体外降解性能

3.4小结

第四章生物活性骨组织工程支架的仿生制备及理化性能评价

4.1引言

4.2实验

4.2.1材料

4.2.2生物活性骨组织工程支架的制备

4.2.3测试方法

4.3冷冻干燥

4.4结果与讨论

4.4.1生物活性骨组织工程支架的显微结构

4.4.2生物活性骨组织工程支架各成分间的相互作用

4.4.3生物活性骨组织工程支架的机械性能

4.4.4生物活性骨组织工程支架在生理溶液中的膨胀与浸析

4.5小结

第五章生物活性骨组织工程支架中的生物分子对支架矿化性能的调控作用

5.1引言

5.2实验

5.2.1模拟体液的配制

5.2.2仿生矿化实验

5.2.3分析方法

5.3结果

5.4讨论

5.4.1生物分子调制成核

5.4.2生物分子对晶体形貌的调控作用

5.5小结

第六章生物活性骨组织工程支架对细胞生理活动的调控与影响

6.1引言

6.2实验试剂和材料

6.3实验设备

6.4成骨细胞鉴定

6.5材料与细胞的生物组装

6.6功能检测

6.6.1细胞增殖的检测

6.6.2碱性磷酸酶（ALP）活性的检测

6.6.3倒置光相差显微镜观察

6.6.4扫描电镜观察

6.6.5统计学分析

6.7结果与讨论

6.7.1成骨细胞鉴定

6.7.2材料对细胞黏附、生长的调控作用

6.7.3材料对细胞迁移的调控作用

6.7.4材料对细胞周期的调控作用

6.8小结

第七章生物活性骨组织工程支架体内骨修复性能评价

7.1引言

7.2实验

7.2.1试剂药品

7.2.2实验器械

7.2.3实验动物

7.2.4植入材料

7.2.5骨缺损动物模型制作方法

7.3检测指标与方法

7.3.1大体观察

7.3.2影像学观察

7.3.3组织形态学观察

7.3.4扫描电镜观察

7.3.5骨密度测定

7.3.6统计学方法

7.4结果与讨论

7.4.1大体观察

7.4.2影像学观察

7.4.3组织学观察

7.4.4扫描电镜观察

7.5骨密度测定

7.6小结

结论

本论文的主要创新点

参考文献

缩略语说明一览表

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢