相稳定型凝胶泡沫及其控制释放和组织工程应用

摘要

多孔材料在生物医学工程领域占有重要的地位且应用广泛，例如作为组织工程支架、药物细胞释放载体以及生物传感器等。目前，多孔材料的制备方法得到了很大的发展，例如冷冻干燥法、模板法、发泡法、静电纺丝法等。在多孔材料的制备过程中，实现对材料孔结构、材料组成和力学性能等方面的控制以及绿色环保的制备条件十分重要。然而，上述方法尚未完全满足这些要求。作为一种新兴的多孔生物材料制备手段，3D打印技术虽然能够同时满足以上要求，然而其高昂的时间和经济成本限制了其应用。本文在淀粉凝胶化性质的基础上开发了一种利用淀粉相变稳定气泡的方法，制备了不同的凝胶泡沫材料、多孔陶瓷以及陶瓷/生物玻璃(BG)复合泡沫支架，表征分析了它们的性能特征，并探索了其在控制释放和组织工程方面的潜在应用。
　　本文的第一部分分别利用不同粉体和淀粉混合，通过相稳定型凝胶泡沫法制备了不同的陶瓷凝胶泡沫材料，并通过烧结制备了多孔氧化铝(Al2O3)与羟基磷灰石(HA)陶瓷。本研究使用表观密度与气孔率计算、扫描电子显微镜(SEM)观察、力学压缩测试等手段对陶瓷凝胶泡沫和多孔陶瓷进行了表征。结果表明，陶瓷凝胶泡沫和多孔陶瓷的孔隙率都达到了80％以上，内部由400-600μm的大孔组成，且这些大孔由孔壁上直径为50-100μm的小孔相互连通。除连通孔之外，大孔孔壁上还分布着5-10μm大小的细孔，进一步增加了整个体系的孔隙率。陶瓷凝胶泡沫的力学强度随着浆料固相含量的增加而先增后减。此外，本研究利用设置温度梯度的方法制备了孔径沿一个方向梯度变化的凝胶泡沫材料；并通过浇铸法制备了具有层状结构的多孔材料，实现了孔径和材料组分的控制。
　　针对药物释放和细胞释放的应用需求，本文的第二部分制备了原位载入溴酚蓝分子（BPB）与白蛋白（BSA）的HA/淀粉凝胶泡沫材料，并对材料的微观结构以及机械性能进行了表征和测试。实验结果显示，凝胶泡沫的力学性能取决于它们的含水率，凝胶泡沫具有较高含水率时能展现出很好的回弹性能。本研究利用力学压缩的方式实现了凝胶泡沫对分子和细胞的力学主动式精确释放。结果表明，BPB的释放行为满足AND逻辑，只有当凝胶泡沫的含水率都和产生的应变分别达到40%和3%以上时，释放才能进行。同时，本研究还证实了基于凝胶泡沫的 BPB、BSA以及活细胞的力学主动式释放分别达到了每个压缩循环1cm3样品释放70 ng、150 ng以及1400个细胞的精度。
　　针对软组织工程应用，本文的第三部分分别使用成骨细胞（MC3T3）、成纤维细胞（NIH3T3）以及血管内皮细胞（HUVEC）为结构材料，通过相稳定型凝胶泡沫法制成了凝胶泡沫微组织。结果表明，原位载入凝胶泡沫微组织中的细胞都表现出95%以上的存活率。同时，本文通过控制培养基中的牛血清浓度来调节凝胶泡沫微组织的降解速率，从而实现了对细胞的可控释放。在硬组织工程应用方面，本研究制备了HA/BG与Si3N4/BG复合泡沫支架。结果表明，这两种复合泡沫支架由400-600μm的互相连通的大孔组成，连通孔的直径为50-100μm。尽管气孔率达到了70-80%，HA/BG与 Si3N4/BG复合泡沫支架都表现出较高的压缩强度，分别达到了6.0±1.4 MPa和19.7±3.1 MPa。体外实验表明，两种复合泡沫支架都具有良好的生物相容性。大鼠股骨缺损模型进一步表明，HA/BG复合泡沫支架还具有良好的骨传导性能和成骨性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 多孔生物材料及其分类

1.2 多孔生物材料的应用

1.3 多孔生物材料的制备方法

1.4 本研究课题的提出、研究内容

第二章 淀粉的糊化与凝胶化

2.1 引言

2.2 实验原料与仪器

2.3 材料的制备与表征

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 相稳定型陶瓷凝胶泡沫

3.1 引言

3.2 实验原料与仪器

3.3 材料的制备

3.4 陶瓷凝胶泡沫的表征

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 陶瓷凝胶泡沫的力主动型药物细胞释放

4.1 引言

4.2 实验原料与仪器

4.3 载药型凝胶泡沫的制备

4.4 载药型凝胶泡沫的表征

4.5 结果与讨论

4.6 本章小结

第五章 凝胶泡沫的组织工程应用研究

5.1 引言

5.2实验原料与仪器

5.3 材料的制备

5.4 材料表征

5.5 统计学分析

5.6 结果与讨论

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文结论

6.2 本论文的创新性

6.3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表的论文、专利和学术获奖

参加学术会议情况

致谢