丝素蛋白/细菌纤维素纳米纤维束梯度插层支架的研究

摘要

人口老龄化、意外、疾病等造成的骨质缺损是医学上一大难题。目前临床上主要的解决方案是自体骨移植，但是该方法存在供体资源有限，给供骨区造成新的创伤、二次手术、修复范围有限等问题。因此，大力研发可以满足医用要求的骨组织替代支架显得尤为重要。
　　本论文以丝素蛋白为基体，以细菌纤维素纳米纤维束（ bacterial cellulose nanofiber ribbon, BCNR）为增强骨架，通过冷冻干燥法制备丝素蛋白/BCNR复合增强支架。为了确定最佳的制备工艺条件，本论文首先系统地研究了丝素蛋白浓度、预冷温度、机械扰动等对支架形貌的影响。扫描电镜结果表明，随着丝素蛋白溶液浓度增加，支架也由“类纤维毡”结构变为片层结构，直至片层结构逐渐消失。预冷温度的变化可以实现支架形貌在多孔结构和片层结构之间转换；外界的机械力扰动可在较大范围内调节支架的片层间距和片层厚度；BCNR的加入可在片层支架之间形成 BCNR的插层结构，这种结构对于大幅提高支架的力学强度和改善支架的生物学性能都具有重要的意义。
　　丝素蛋白等天然高分子材料虽然具有生物相容性好、可降解等优异性能，但所制备的支架往往强度较低。为了使支架满足骨组织修复的要求，本论文着重研究了不同 BCNR添加量对复合支架机械强度的影响。结果表明，与纯的丝素蛋白支架相比，丝素蛋白/BCNR质量比为20:3的复合支架的压缩强度和模量分别提高了6倍和8倍，分别为2.32 MPa和72.5 MPa，在松质骨的力学强度范围内。傅里叶变换红外光谱和 X射线衍射结果表明，BCNR与丝素蛋白之间存在强烈的氢键作用，并且BCNR的加入有利于促进丝素蛋白的结晶，因此BCNR在微观尺度上对丝素蛋白起到了增强。另外，BCNR在支架中的插层结构对于提高支架的吸水率和保持支架的三维尺寸稳定性具有积极的作用。支架的孔隙率虽然随着BCNR的含量略有下降，但是仍维持在较高水平（>85％）。
　　体外细胞毒性实验和细胞染色实验表明，复合支架具有良好的生物相容性，细胞可以很好地在支架材料上粘附和生长，而且 BCNR的加入可以明显地促进成骨细胞在支架上的粘附和增殖。体外模拟矿化实验表明，相比于纯的丝素蛋白支架材料，BCNR的加入可以促进羟基磷灰石在支架上的沉积，提高支架的骨生物活性。
　　综上所述，本实验制备的丝素蛋白/BCNR复合支架在骨质缺损的修复上有很大的应用前景，未来有望通过在支架上搭载多种骨生长因子进一步提高骨组织支架的修复能力。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 丝素蛋白的性质及其在骨组织中的应用

1.2 细菌纤维素的组成结构及其在骨组织中的应用

1.3 骨组织支架的制备工艺

1.4 本课题主要研究内容及意义

1.5 本课题的创新点

第2章 丝素蛋白/BCNR复合支架的形貌控制

2.1 引言

2.2 实验原料及实验设备

2.3 实验方法

2.4 BCNR及丝素蛋白纯/BCNR复合支架的形貌表征

2.5 小结

第3章 丝素蛋白/BCNR梯度插层支架的结构、性能及形成机理

3.1 引言

3.2 实验原料及实验设备

3.3 实验方法

3.4 结果与讨论

3.5 小结

第4章 丝素蛋白/BCNR复合支架的生物学评价

4.1 引言

4.2 实验原料及实验设备

4.3 实验方法

4.4 结果与讨论

4.5 小结

第5章 结论

参考文献

附录

科研成果

致谢