柠檬酸改性的壳聚糖基水凝胶组织工程支架的制备研究

摘要

因具有快速吸水和含水量高且不溶解的三维网络结构及生物相容性良好等特点，可生物降解的水凝胶型组织工程支架已被广泛研究用于多种组织和器官的再生性修复。其中，壳聚糖（CS）具有来源丰富、生物相容性优良、抗菌、对细胞无毒副作用等优势，是常用的制备组织工程水凝胶支架的天然生物基功能材料。然而，CS的湿态力学性能较差则是影响其组织修复应用功效的一个重要原因。本学位论文课题研究的目的是在不引入任何有毒试剂的前提下，利用柠檬酸（CA）、丝素（SF）、和聚己内酯（PCL）纤维来改善CS水凝胶的力学性能和生物活性。 首先，利用CA对CS进行物理改性并研究其作用机理，重点研究溶液性质包括CS/CA质量比（10:0，7:3，5:5）及CS/CA溶液浓度（3%，4%，5% w/w）对所制备的CS-CA水凝胶形貌、孔隙率、吸水性能和力学性能的影响，以得到性能最优的CS-CA 水凝胶。红外吸收光谱（FTIR）分析表明CA主要通过结构中含有的羧酸位点与质子化CS的NH3+形成稳定的离子键进行物理交联；扫描电镜观察表明冷冻-凝胶处理可得到孔隙互相连通的多孔结构的CS-CA水凝胶；吸水动力学与溶胀率、孔隙率、拉伸/压缩力学测试显示当CS/CA质量比为7:3、浓度为3 wt%时获得的水凝胶性能最优，表现为：可在1 min之内快速吸水达到饱和，溶胀率达1134.12 ± 96.42%；承载的拉应力达103 kPa（与纯CS水凝胶相比提高了约7倍）；压应力达18 kPa（与纯CS水凝胶相比提高了约3倍），且经过20个循环压缩后仍可回复至原始高度而无明显裂痕与形变。 接着，通过在性能获得优化的CS-CA（7:3）水凝胶中引入 SF来提高其生物活性。从形貌、孔隙率、吸水性能和力学性能等方面探究含有不同浓度的SF 对 CS-CA 水凝胶性能的影响，优化得到CS-CA-SF最佳配比的水凝胶。FTIR结果证明，通过将SF共混引入CS/CA 溶液后进行冷冻-凝胶处理可成功制备出含有不同浓度 SF （CS/SF质量比为5%、10%、15%）的CS-CA水凝胶，即CS-CA-SF5、CS-CA-SF10、CS-CA-SF15，且SF结构发生β-折叠转变；交叉极化魔角旋转核磁共振技术（13C CP/MAS NMR）结果计算得出β-折叠结构所占比例为90%左右；并发现引入SF后的CS-CA水凝胶的拉伸力学强度获得显著提升，CS-CA-SF15水凝胶的拉伸强度为0.38 MPa（提高了约2倍），断裂伸长率为128.76%（提高了约3倍）；加入不同浓度的SF对CS-CA水凝胶的形貌没有明显影响，但孔隙率与吸水性能下降。综合选取 CS-CA-SF15水凝胶进行生物（细胞）相容性及抑菌性能评价。Phalloidin/DAPI染色观察与CCK-8实验结果表明CS-CA、CS-CA-SF15水凝胶相比纯CS水凝胶能够显著提高L929成纤维细胞的粘附和增殖能力；但是，由于NaOH的解冻处理中和了带正电荷的氨基，使得 CS、CS-CA、CS-CA-SF15水凝胶对 Escherichia coli、Staphylococcus aureus的抑菌能力有所减弱。 最后，通过在CS-CA-SF15水凝胶中引入电纺PCL纤维制备出力学性能获得进一步增强的CS-CA-SF15 基复合水凝胶（即PCL/CS-CA-SF15）并表征了其相关性能。结果表明：电纺PCL纤维复合 CS-CA-SF15水凝胶对形成的水凝胶形貌无明显影响；由于电纺PCL纤维孔隙率较高，使得复合得到的PCL/CS-CA-SF15复合水凝胶孔隙率（74.38%）相比CS-CA-SF15（63.86%）有所提高；而PCL亲水性较差，使得PCL/CS-CA-SF15复合水凝胶的吸水性能略有下降（溶胀率约为1071.44 ± 122.83%）；但是PCL/CS-CA-SF15复合水凝胶的拉伸性能具有显著性提高，拉伸强度为5.5 MPa（比CS-CA水凝胶提高了约25倍），杨氏模量为4.3 MPa（比CS-CA水凝胶提高了约9倍），断裂伸长率为143%（比CS-CA水凝胶提高了约3倍）。 总之，利用柠檬酸（CA）、丝素（SF）和电纺聚己内酯（PCL）超细纤维能够大大提高CS水凝胶的生物活性和湿态力学性能，本研究发展的这些性能获得优化的CS基水凝胶在皮肤、软骨等组织的再生性修复中具有潜在的应用前景。

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