组织修复用可注射壳聚糖纳米复合水凝胶的制备及相关性能研究

摘要

在组织工程领域，支架材料是与材料科学联系较为紧密的一个重要分支，备受材料研究工作者的关注。可注射水凝胶以其独特的凝胶化方式，为支架材料的植入提供了低损伤、易操作的途径，是近年来支架材料的重要发展方向之一。然而，可注射水凝胶也存在着凝胶化过程不可控、力学性能不足等缺点，限制了其进一步应用。 壳聚糖/β-甘油磷酸钠凝胶（CS/GP）是一种典型的温度响应型可注射水凝胶，具有凝胶化温度适宜，无细胞毒性、生物相容性良好的优点，在生物医用领域具有良好的应用前景。然而该凝胶力学性能不足，表现出软而弱、易流动、形貌保形差的特点。本论文从CS/GP的设计制备、结构与性能的角度出发，对CS/GP温度响应可注射水凝胶进行了详细的研究，采用流变学的方法，追踪了其溶胶-凝胶的转变过程。同时，针对 CS/GP 凝胶力学性能不足的缺点，分别通过无机粒子增强和有机纳米晶复合的方法，提高其力学性能，探讨了相应的凝胶化及增强机理。具体的研究内容如下： 1. CS/GP可注射凝胶的凝胶化动力学及其力学性能研究。通过流变学方法，追踪了可注射凝胶的凝胶化过程，建立了一种新的可注射凝胶凝胶化行为判断的方法；同时对该凝胶的溶胀性能、力学性能、微观形貌以及生物相容性等进行了较系统的表征。研究发现，当壳聚糖分子量大、GP用量大或凝胶化温度较高时，均会使CS/GP可注射凝胶表现出较为优良的力学性能。而在本论文研究范围内，当GP用量过低时，所得凝胶的溶胀性能不能用称重法表征。流变学测试的结果表明，CS/GP 可注射凝胶的凝胶化动力学符合零级反应动力学，凝胶化速度对GP 浓度和凝胶化温度有明显的依赖性。当 GP 用量较高、凝胶化温度较高时，凝胶的凝胶化速率常数均明显增大。同时，凝胶力学性能的增加主要是由于氢键作用增强、交联密度增大导致的。 2.无机纳米粒子改性 CS/GP 可注射水凝胶的研究。选用具有独特一维结构和含表面官能团的无机纳米粒子凹凸棒土（ATP）为添加剂，制备了CS/GP/ATP可注射水凝胶，对复合凝胶的凝胶化行为、力学性能、溶胀性能、药物缓释性能、微观形貌等进行了系统的研究；结合红外光谱分析等手段，探讨了凹凸棒土增强CS/GP 可注射凝胶的机理。研究发现，CS/GP/ATP 复合可注射水凝胶的力学性能随着 ATP 含量的增加有明显的增强。同时，复合凝胶的凝胶化速度随着 GP含量和 ATP 含量的增加均表现出增大的趋势，两者在凝胶化过程中有协同加速的作用。扫描电子显微镜（SEM）观察发现，ATP的加入明显改变了凝胶的微观形貌，使其孔洞更加规整、尺寸更加均一。添加少量的ATP 有利于复合凝胶溶胀性能的增强，但凝胶的累积释药量和药物释放速率均随着ATP的增加而下降。通过红外光谱分析和凝胶内交联密度计算，提出了ATP纳米粒子在CS/GP/ATP复合可注射水凝胶中起到交联点的作用，是导致复合凝胶有较高力学性能和较快凝胶化速度的主要原因。此外，细胞毒性测试结果表明，CS/GP/ATP可注射水凝胶具有较好的生物相容性，符合组织修复支架材料的基本要求。 3.有机甲壳素纳米晶（CNWs）增强CS/GP可注射水凝胶的研究。利用与水凝胶化学结构相同的CNWs，制备了具有较高力学性能和优良生物相容性的、更适用于用作支架材料的复合可注射水凝胶。系统讨论了纳米晶用量和凝胶化温度对复合可注射凝胶的凝胶化行为、力学性能、微观形貌、溶胀性能、药物缓释性能、生物相容性等性能的影响。SEM观察结果表明，通过酸解法制备CNWs的平均直径为14 nm，长度在150 nm～320 nm之间，CNWs在复合水凝胶内形成紧密的层状结构。力学和流变学测试结果表明，随着 CNWs 含量的增加和凝胶化温度的升高，复合凝胶的力学性能和凝胶化速度提高。溶胀和药物缓释实验发现，随 CNWs 含量的增加或凝胶化温度的升高，复合水凝胶的溶胀速率和药物释放速率均降低，平衡溶胀率和药物累积释放量下降。细胞毒性测试结果表明，小鼠成纤细胞在 CS/GP/CNWs 有机复合水凝胶上的生长表现出明显的时间依赖性，说明CS/GP/CNWs可注射水凝胶没有细胞毒性。

目录

第一个书签之前