胶原-羧甲基纤维素复合材料的制备和性能研究

摘要

组织工程支架是组织工程学的重要研究方向之一，受到广泛的关注。一种理想的支架可暂时充当人体的组织或器官，并为受损组织的修复再生提供一定的结构支撑。目前，制备与人体组织结构相似且性能相匹配的理想支架仍然是该领域中的难点及重点。胶原(Collagen，Col)是细胞外基质中的结构蛋白，是人体中含量最多的蛋白质，基于Col制备的生物医用材料拥有广阔的发展空间和无限的应用潜力。羧甲基纤维素(Carboxymethyl cellulose，CMC)是一种无毒、可再生、可生物降解、抗盐性强等的纤维素醚，其分子结构中有大量反应活性基团如羟基和羧基，己被用作生物基质、药品基质和生物医用制品的载体等，极有价值。
　　本文创新性地将Col和CMC-者结合，构建了多种Col-CMC基复合材料，期望应用于组织工程支架。基于Col-CMC这一蛋白-多糖体系，研究了不同制备方法对复合支架材料的结构及性能的影响。采用低毒性的1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)生物交联、光交联、EDC/NHS生物交联-光交联双交联等方法对Col-CMC进行改性，原位沉积法或仿生矿化法引入无机组分制备有机/无机复合材料，以获得可降解且有良好生物相容性的组分仿生或结构仿生的三维多孔支架材料。
　　本文的主要研究内容如下:
　　1.通过EDC/NHS生物交联，CMC分子上活性基团羧基，可与Col分子上氨基形成键合，进而乳液-冷冻干燥成型，制备Col/CMC复合材料。研究了交联剂比例和不同Col与CMC的组分比对于支架材料结构形态、溶胀率和力学性能等的影响。结果表明，使用EDC/NHS比例为2∶1制备的Col/CMC复合材料比1∶1的复合材料呈现更为规整的多孔结构，且压缩强度较高。该复合材料有较高的溶胀率、良好的生物相容性，且可降解，降解周期在10天到21天不等，有望应用于短期修复的组织工程材料，如用于玻璃体切割术等。
　　2.模拟骨生成的细胞外基质中蛋白、多糖共同作用机制，以Col-CMC这一蛋白-多糖体系为模板，利用EDC活化羧基原理和原位沉积原理，并采用冷冻干燥法，制备了胶原-羧甲基纤维素/钙缺失羟基磷灰石，有机/无机组分仿生复合支架材料。无机组分的引入降低了支架材料的溶胀率，提高了力学性能。该复合支架有较好的体外细胞相容性，还可生物降解至8周左右。该组分仿生复合材料，有望应用于口腔修复材料。
　　3.基于光交联法，对胶原进行甲基丙烯酸酐改性(ColMA)，引入双键发生光交联从而增强复合材料的多孔结构。接着，为了提高体系中除丙烯酸酐双键外的其它活性官能团密度，进行了以下两方面的研究。一将改性胶原与CMC混合，添加生物交联剂EDC/NHS，活化体系内自由羧基，从而使体系内发生交联，再光交联，双重交联巩固网络结构。其二以EDC活化的CMC键合胶原上氨基，将直链型CMC接枝在胶原大分子上，再光交联形成凝胶，冻干后即制得支架材料。结果表明这两种复合材料都有与松质骨相似的结构和压缩强度，且在不多于10％(v/v)的低改性胶原量时均有较好的生物相容性。这两种结构仿生的改性胶原复合材料均有望应用于细胞培养的基体，以及组织工程支架材料。
　　4.为模拟骨生成的细胞外基质中蛋白、多糖共同作用机制，以及骨的有机/无机组分构成，对胶原进行甲基丙烯酸酐改性引入双键，再将EDC活化的CMC分子直链接枝在胶原大分子上，即得改性胶原接枝羧甲基纤维素模板，最后于仿生矿化前驱液中进行矿化，制得仿生矿化复合支架材料。矿化组分检测及SEM图等结果表明，矿化较均匀。该改性胶原-羧甲基纤维素仿生矿化复合支架材料组分仿生，还有与松质骨类似的压缩强度。此外，该支架材料可生物降解且有良好的生物相容性，在骨组织工程领域具有潜在的应用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 组织工程支架的发展趋势

1．2 天然高分子组织工程支架材料的发展现状

1．2．1 天然高分子支架材料用于软组织修复

1．2．2 天然高分子支架材料用于硬组织修复

1．3 常见的用于组织工程支架材料的天然高分子

1．3．1 蛋白质

1．3．2 多糖

1．4 常见的制备三维多孑L支架材料的方法

1．4．1 粒子沥滤法

1．4．2 相分离法

1．4．3 气体发泡法

1．4．4 静电纺丝法

1．5 本文的主要工作

2 用于短期修复的胶原／羧甲基纤维素复合材料的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂和仪器

2．2．2 实验内容和方法

2．2．3 分析与表征

2．2．4 生物相容性

2．2．5 降解性能

2．2．6 统计分析

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 Ⅰ型胶原分析

2．3．2 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

2．3．3 形貌分析

2．3．4 溶胀性能

2．3．5 力学性能

2．3．6 生物相容性

2．3．7 降解性能

2．4 本章小结

3 用于牙齿修复的胶原-羧甲基纤维素／羟基磷灰石复合材料的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器

3．2．2 实验内容和方法

3．2．3 分析与表征

3．2．4 生物相容性

3．2．5 降解性能

3．2．6 统计分析

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

3．3．2 无机组分分析

3．3．3 形貌分析

3．3．4 溶胀性能

3．3．5 力学性能

3．3．6 生物相容性

3．3．7 降解性能

3．3．8 胶原-羧甲基纤维素／羟基磷灰石复合材料的生成机理

3．4 本章小结

4 改性胶原／羧甲基纤维素复合支架材料的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂和仪器

4．2．2 实验内容和方法

4．2．3 分析与表征

4．2．4 生物相容性

4．2．5 统计分析

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 改性胶原的核磁和改性度

4．3．2 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

4．3．3 形貌分析

4．3．4 力学性能

4．3．5 生物相容性

4．4 本章小结

5 改性胶原接枝羧甲基纤维素复合支架材料的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂和仪器

5．2．2 实验内容和方法

5．2．3 分析与表征

5．2．4 生物相容性

5．2．5 统计分析

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

5．3．2 形貌分析

5．3．4 力学性能

5．3．5 生物相容性

5．4 本章小结

6 改性胶原-羧甲基纤维素仿生矿化复合材料的研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验试剂和仪器

6．2．2 实验内容和方法

6．2．3 分析与表征

6．2．4 生物相容性

6．2．5 降解性能

6．2．6 统计分析

6．3 实验结果与讨论

6．3．1 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

6．3．2 矿化物分析

6．3．3 形貌分析

6．3．4 力学性能分析

6．3．6 生物相容性分析

6．3．7 降解性能分析

6．3．8 改性胶原-羧甲基纤维素仿生矿化复合材料的生成机理

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要科研成果

致谢