壳聚糖基纳米纤维组织工程支架的交联与性能评价

摘要

近年来，由静电纺丝法制备各种能仿生天然细胞外基质(ECM)的纳-微米超细纤维结构的生物材料支架已成为组织工程学研究的一个热点。作为常用的组织工程支架构建的选择材料之一，天然生物高分子材料壳聚糖(CTS)已被通过不同的途径电纺成纳米纤维结构。这些制备方法主要包括采取特定溶剂的纯壳聚糖静电纺丝和常规溶液中参有成纤剂的壳聚糖混合物电纺丝等。以往研究表明，不论采取哪种壳聚糖纳米纤维的电纺丝方法，制备的纳米纤维一般都存在耐水性不佳（如在水中容易溶胀或溶解）的问题，影响应用时的纤维形态。同时，壳聚糖的湿态力学性能较低，难以满足组织工程对生物材料支架的力学性能要求。基于这些问题，本研究工作的主要目的是:优化CTS纺丝体系，选择合适的交联剂和交联方法对电纺CTS纳米纤维进行交联处理，对交联后的纳米纤维进行理化和生物相容性评价。
　　 采用超高分子量聚氧化乙烯(PEO)作为成纤助剂，本课题首先研究了壳聚糖纳米纤维的电纺性问题。研究结果表明，质量比分别为85/15、90/10、95/5、97/3的CTS/PEO溶液均可电纺形成形貌良好的纳米纤维，即使成纤剂PEO已降低到仅为3％的水平。通过元素分析和X-射线光电子能谱(XPS)对样品表面分析，评价了制备纤维中壳聚糖和聚氧化乙烯的比例。通过傅立叶转换红外光谱(FTIR)研究了CTS和PEO在电纺纤维中的分子间相互作用。这些纳米纤维膜显示了一定的纤维形态的水接触敏感性，但降低成纤剂PEO的含量至3％明显利于CTS纳米纤维的形态保持。力学测试结果显示，CTS/PEO质量比为95∶5的纳米纤维膜的力学性能较好，强度达到18.96±1.62 MPa，但湿态下的性能下降较大，仅为6.39±0.95 MPa。
　　 为了改善CTS纳米纤维在湿态下的特性（如纤维形貌、力学等），在兼顾生物相容性的前提下，我们选用京尼平作为交联剂对壳聚糖纳米纤维进行交联处理，并用传统交联剂—戊二醛作为对照，对交联后的纳米纤维的理化和生物学性能进行了评价。结果表明，采用京尼平和戊二醛交联能明显地改善CTS纳米纤维在湿态下的纤维形貌，且随着交联剂浓度和交联时间的增加，效果更加明显。FTIR结果验证了京尼平与壳聚糖之间的化学交联作用。XRD结果显示，京尼平交联后壳聚糖结晶度有所增加，这为解释交联后的CTS纳米纤维的溶胀度和酶解率下降提供了有力的证据。交联前后的CTS纳米纤维在PBS(pH=7.2)中浸泡溶胀72 h后的纤维形貌相差很大。交联后的纤维在含溶菌酶的PBS(pH=7.2)中降解3周后的纤维形貌仍能保持完好。通过L929成纤维细胞在不同京尼平浓度(0.1～1％)交联的CTS纳米纤维膜支架上的细胞增殖情况及形貌观察表明，L929细胞在交联的CTS纳米纤维支架上的增殖远好于在未交联的CTS纳米纤维上的结果。从选用交联剂浓度的影响看，发现0.5％浓度京尼平交联后的CTS纳米纤维支架上的增殖和生长状况都优于其它京尼平浓度。从长时间细胞培养效果来看，用京尼平交联CTS纳米纤维比用戊二醛交联更有利于细胞的增殖。
　　 基于前面获得的交联方法，我们制备了能仿生天然骨的纳米结构的壳聚糖基的羟基磷灰石(HAp)纳米复合材料(HAp/CTS)纳米纤维，并用京尼平对其进行交联，最后以骨髓间充质干细胞(BMSCs)为种子细胞，从细胞生物学水平初步评价了此仿生材料的生物安全性/生物相容性和成骨性。结果表明，未交联的HAp/CTS复合纳米纤维在湿态时也存在耐水性差的问题，但在京尼平交联后，形貌保持良好。BMSCs在京尼平交联的HAp/CTS仿生复合纳米纤维上能较好的生长和扩增，说明此材料有良好的细胞相容性。通过检测成骨标志蛋白碱性磷酸酶表明了京尼平交联的HAp/CTS仿生复合纳米纤维能够诱导BMSCs向成骨分化，具有一定的功能性。所有这些结果都表明我们通过当前研究发展的用京尼平交联壳聚糖纳米纤维的方法，从维持电纺后壳聚糖基纳米纤维的形貌不受影响及作为组织工程支架应具有的良好细胞相容性方面是可行的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 组织工程与静电纺丝

1．2 壳聚糖静电纺丝

1．3 壳聚糖的交联研究进展

1．4 课题的提出、研究内容及创新点

第二章 壳聚糖纳米纤维的制备

2．1 引言

2．2 实验部分

2．3 结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 壳聚糖纳米纤维的交联

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 壳聚糖纳米纤维交联后的生物相容性评价

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．4 本章小节

第五章 含有羟基磷灰石的壳聚糖复合纤维的制备与交联

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．3 结果与讨论

5．4 本章小节

第六章 结论与展望

6．1 实验结论

6．2 后续工作建议

参考文献

附录攻读硕士学位期间发表论文及参加科研项目情况

致谢