静电纺制备胶原蛋白/聚氨酯心脏瓣膜组织工程支架材料的研究

摘要

组织工程学是一门新兴学科，以细胞生物学和材料学为基础，进行体外或体内构建组织器官的新兴学科，用以修复或重建损伤组织或器官。组织工程的基本原理是从机体获取少量的活体组织，然后在体外种植到生物相容性良好的支架材料上，使细胞粘附在生物材料上，并在生物反应器中进行培养扩增，在体外形成新的组织后移入患者体内，从而达到修复创伤的目的。因此选择合适的支架材料是组织工程成功的关键因素之一，支架材料具有能够模拟天然组织细胞外基质的功能。组织工程心脏瓣膜也是运用该原理，本课题通过对机械性能优良的热塑性聚氨酯和生物相容性良好的胶原蛋白材料进行复合静电纺丝，从功能和结构上仿生天然瓣膜组织细胞外基质。
　　 本课题首先研究了胶原蛋白/热塑性聚氨酯(collagen/TPU)共混静电纺丝。混合静电纺作为常用的电纺复合方法之一，已经成功应用多种聚合物材料与天然材料的复合。从复合电纺材料的各项表征看，混合静电纺的复合效果较好，能够有效结合天然材料与聚合物材料各自的优点，用于构建仿生心脏瓣膜细胞外基质，并努力达到天然心脏瓣膜的力学性能。通过调节实验的各个参数如电压、距离、供液速度等来改善纺丝的工艺，并最终获得了复合纤维。在得到较稳定的纺丝参数后，通过SEM、ATM、FTIR、XPS、接触角、孔隙率和力学性能测定分析该纳米纤维的各项物理、化学性能。实验中发现该复合纤维的直径随纺丝溶液中TPU在复合体系中的比例的增加而增大，另外在复合比例相同，纤维直径也随溶液总浓度的递增而逐渐增加;通过红外测试发现复合材料中的两种组分间没有发生反应，基本维持了原有的化学性质。通过接触角测定，发现单纺TPU纤维膜具有一个疏水的表面，而随着胶原蛋白组分的逐渐增加纤维膜的亲水性依次增强;力学性能测试表明该纤维织物的力学性能与两组分的复合比例相关。这些结果对于以后构建形态结构及性能上更优的仿生细胞外基质组织工程支架具有一定的指导作用。
　　 本论文同时采用了同轴静电纺丝的方法对两种材料进行复合静电纺丝，制备具有“壳芯”结构的纳米纤维。结果表明，同轴静电纺丝的过程参数与内外层纺丝溶液的推进速率、内外层纺丝溶液的浓度有较大关系。在初期实验中，得出了适合TPU/collagen同轴纺丝的工艺参数，内外层速率的关系及范围，并总结了合适的内外层纺丝溶液浓度。后期实验系统研究了同轴电纺纤维的表面形态，采用了SEM、TEM、AFM相关电镜测试方法，证明了同轴电纺纳米纤维壳芯结构的存在，复合纳米纤维表面的凸凹不平也表明了胶原蛋白分布在复合纳米纤维的表面;XPS表面元素分析表明氮元素在同轴复合纳米纤维表面的元素构成率与在胶原蛋白表面的元素构成率几乎相同;FTIR结果表明了同轴电纺工艺中TPU与胶原蛋白纤维无官能团的结合，但是一些结果表明在胶原蛋白与TPU的接触面上有一些类似氢键的结合;机械性能测试表明，同轴电纺纳米纤维，相对于混纺纳米纤维，有较好的机械性能，在拉伸的初始阶段杨氏模量较高，随后表现出TPU纤维的力学性能。这些结果对于以后构建形态结构及性能上更优的仿生细胞外基质组织工程瓣膜支架具有一定的指导作用，但是同轴静电纺丝不稳定，而且产量较低。如何提高其产量及稳定性，对以后同轴电纺支架的生产有重要的意义。
　　 由于天然瓣膜组织的力学性能为各向异性，直接静电纺丝得到的纤维支架力学性能为各项同性。在确定了两种复合工艺后，本论文下面的章节系统研究了取向静电纺纳米纤维的收集及性能。本实验中通过旋转滚轴接收得到了TPU/collagen两种不同复合方法制得的取向纳米纤维，并对其取向纤维的形态，取向度和机械性能进行了详细地表征与讨论。为得到具有不同取向度和可控得纤维机械性能，本实验对旋转接收装置进行了设计与制造，得到了直接成型为长度、厚度和管腔直径均可以根据需要调节的管状的纤维织物或带有精细取向和机械性能优化了的膜状织物支架。本实验构建的复合静电纺取向纳米纤维支架材料，经过形态观察可以发现其取向度与滚轴转速之间有密切的关系，并且可以根据需要调节，作为组织工程支架具有一定的优越性。另外将实验中得到的取向复合纳米纤维膜通过将扫描电镜图片转换为灰度照片，再经图像分析软件ImageJ及其插件ovalprofile的处理和计算最终成功的对不同排列度的纤维膜进行了表征。此种纤维膜因其独特结构将更适合用作构建精细结构组织再生支架。本课题通过尝试希望筛选出一种生物相容性好，且具有优越机械性能的三维多孔支架材料，进而作为可降解生物医用材料用于组织工程心脏瓣膜支架。
　　 种子细胞与基质材料的相互作用是组织工程研究的一个重要领域。本论文下面一个研究方面是从细胞粘附、铺展、增殖、细胞形态等方面着手，对猪髋动脉内皮细胞与TPU/collagen共混与同轴复合静电纺纤维材料的细胞相容性进行了研究，并和盖玻片和细胞培养板做了比较，得出以下结论:(1)MTT法测定共混电纺支架细胞粘附情况的结果表明，T/C(3∶1)和T/C(1∶1)的细胞粘附情况都比较好，细胞粘附量都比细胞培养板高，而T/C(1∶3)和collagen则相对较差，主要是由于胶原蛋白组分含量过高的话，支架在细胞培养液中无法保持其纤维形态，故细胞增殖和粘附情况较差。(2)MTT法测定TPU/collagen同轴支架细胞增殖能力的结果表明，同轴电纺支架的细胞生物相容性好于其单纺支架，在粘附和增殖方面都有较好的结果。同轴电纺支架芯层浓度较小时，细胞在初始的4h表现良好;当时间增长至七天时，芯层浓度高的电纺支架表现出较好的细胞增殖结果。(3)TPU/collagen取向纳米纤维支架对内皮细胞的生长有一定的取向引导作用，但是作用不是非常明显。同轴电纺纳米纤维细胞取向生长性能好于共混电纺纳米纤维，需要在后期研究中研究在复合纳米纤维中加入生长因子等元素引导细胞取向生长。(4)为了提高共混静电纺纤维的耐水性，采用戊二醛作为交联剂，在密闭干燥器中通过戊二醛蒸气挥发对TPU/collagen复合静电纺纤维膜进行了交联，并对其性能进行了研究。选择交联时间为2天，发现采用戊二醛作为交联剂并不能够很好地解决胶原蛋白组分溶解于细胞培养液的情况，需要进一步对胶原蛋白的交联进行研究。
　　 论文的最后一部分为静电纺丝材料复合快速成型制备组织工程支架。组织工程心脏瓣膜支架由两个部分组成，一部分为瓣膜环;另外一部分为瓣叶支架。由于瓣膜环支架的几何形状较为复杂，并且对机械强度要求较高，本论文引入快速熔融成型法制备组织工程心脏瓣膜支架中的瓣膜环部分，采用TPU/collagen静电纺复合材料作为瓣叶支架部分，组成了一种新型组织工程心脏瓣膜支架。并设计和改进了适合该瓣膜支架的体外生物反应器，进行了相关细胞增殖及在模拟生理流体情况下的细胞滞留实验，得出以下结论:FDM方法制备的支架性能与以下几个过程参数有密切关系:层厚度(slicethickness)、工作路宽(roadwidth)、光栅空隙(rastergap)和光栅角度(rasterangle)。体外内皮细胞生长实验及体外流体对细胞滞留支架实验表明静电纺支架有较好的生物相容性，其细胞增殖速度要明显好于PGA/PLA无纺材料和天然材料牛心包膜。支架于静态环境下培养三天后置于生物反应器中进行体外流体实验，以检测细胞在脉冲流体剪切力的环境下在支架上的滞留能力。结果发现静电纺支架在改变流体速度和作用时间的情况下，细胞在支架上的滞留能力较好，无显著性变化，表明静电纺支架可以为细胞提供一个三维生长环境，细胞可以较好的粘附在支架表面和内部，外部剪切应力对其生长影响较小。但是发现静电纺材料支架在长时间流体作用下，其瓣叶开闭能力下降，表面其机械性能可能无法满足使用要求，需要与其他材料进行复合以解决此问题。
　　 总结以上本课题的结论，发现热塑性聚氨酯/胶原蛋白复合静电纺丝能够较好地模拟天然瓣膜组织，两种复合方法各有其优缺点:共混电纺纳米纤维工艺简易，产量较大，并且可以通过控制二者的混合比例控制纤维的性能;同轴电纺工艺较为复杂而且产量较低，但可以使得胶原蛋白分布在复合纳米纤维表面，复合效率较高，且同轴纳米纤维机械性能好于共混纳米纤维。选择滚筒接收方法制备取向纳米纤维，能够使得静电纺材料从无纺状态变为取向状态，从而模拟天然瓣膜组织各向异性的生物力学性能。静电纺与快速成型相复合，并在体外生物反应器的检测下，表明静电纺组织工程心脏瓣膜支架有较好的生物相容性及细胞滞留能力。本课题研究为天然材料/聚合物材料复合静电纺制备组织工程心脏瓣膜支架提供了参考，并为进一步开展组织工程化人造器官的研究以及后期的临床应用提供了相关科学依据和实验数据。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 组织工程

1．1．1 组织工程学的建立

1．1．2 组织工程学的发展

1．1．3 组织工程支架

1．2 静电纺丝

1．2．1 静电纺丝起源

1．2．2 静电纺丝基本原理及装置

1．2．3 静电纺成丝理论分析

1．2．4 静电纺丝的影响因素

1．2．5 静电纺丝制备取向纳米纤维的最新进展

1．4 组织工程心脏瓣膜概述

1．4．1 概述

1．4．2 心脏瓣膜的结构及功能

1．4．3 组织工程心脏瓣膜的研究方法

1．4．4 组织工程心脏瓣膜支架的选择和要求

1．4．5 静电纺在组织工程心脏瓣膜上的应用

1．5 热塑性聚氨酯与胶原蛋白

1．5．1 热塑性聚氨酯

1．5．2 胶原蛋白

1．6 本文研究内容与意义

1．7 参考文献

第二章 热塑性聚氨酯／胶原蛋白共混静电纺丝制备组织工程瓣膜支架

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料及溶剂

2．2．2 实验设备

2．2．3 纺丝溶液的配制

2．2．4 共混静电纺纳米纤维的制备

2．2．5 纳米纤维的形态表征

2．2．6 纤维表面元素分析(XPS)

2．2．7 纳米纤维膜孔隙率测试

2．2．8 纳米纤维膜亲疏水性测试

2．2．9 纳米纤维膜力学性能测试

2．2．10 红外光谱测试(FTIR)

2．3 结果及讨论

2．3．1 共混静电纺丝溶剂的选择

2．3．2 纳米纤维形态学研究

2．3．3 纳米纤维膜的化学构成分析

2．3．4 纳米纤维膜表面元素分析

2．3．5 纳米纤维膜的亲疏水性分析

2．3．6 纳米纤维膜的孔隙率分析

2．3．7 纳米纤维膜的力学性能分析

2．4 小结

2．5 参考文献

第三章 热塑性聚氨酯／胶原蛋白同轴静电纺丝制各组织工程瓣膜支架

3．1 引言

3．1．1 本章研究目标

3．1．2 同轴射流的产生和机理

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料及溶剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 纺丝溶液的配置

3．2．4 “壳-芯”结构纳米纤维的制备

3．2．5 壳芯结构纳米纤维的形态表征

3．2．6 壳芯结构纳米纤维的表面元素测试

3．2．7 壳芯结构纳米纤维膜孔隙率测试

3．2．8 壳芯结构纳米纤维化学结构测定

3．2．9 壳芯结构纳米纤维膜力学性能测试

3．3 实验结果及讨论

3．3．1 同轴电纺丝工艺的探索

3．3．2 壳芯结构纳米纤维的形态分析

3．3．2 壳芯结构纳米纤维的表面元素分析

3．3．3 壳芯结构纳米纤维孔隙率分析

3．3．4 壳芯结构纳米纤维化学结构分析

3．3．5 壳芯结构纳米纤维膜力学性能分析

3．4 小结

3．5 参考文献

第四章 取向复合纳米纤维的收集及其性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料及溶剂

4．2．2 实验设备

4．2．3 纺丝溶液的配制

4．2．4 取向纳米纤维的收集

4．2．5 取向纳米纤维的形态表征

4．2．6 取向纳米纤维的取向度测试

4．2．7 取向纳米纤维的力学性能测试

4．3 结果及分析

4．3．1 取向纳米纤维接收装置的设计

4．3．2 取向纳米纤维表面形态分析

4．3．3 取向纳米纤维取向度分析

4．3．4 取向纳米纤维膜力学性能分析

4．4 小结

4．5 参考文献

第五章 热塑性聚氨酯／胶原蛋白复合静电纺纤维的生物相容性评价

5．1 引言

5．1．1 生物相容性的影响因素

5．1．2 生物相容性评价方法的选择

5．2 实验部分

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验设备

5．2．3 复合静电纺材料的制备

5．2．4 细胞培养

5．2．5 细胞微观形态观察

5．3 实验结果及讨论

5．3．1 共混静电纺支架生物相容性评价

5．3．2 同轴电纺支架生物相容性评价

5．3．3 复合纳米纤维支架对细胞生长取向的初步研究

5．4 小结

5．5 参考文献

第六章 静电纺复合快速成型制备组织工程心脏瓣膜支架及其体外生物反应器的初步建立和检测

6．1 引言

6．1．1 快速成型技术及其在组织工程支架制备中的应用

6．1．2 熔融沉积制造

6．1．2 生物反应器的设计与应用

6．2 快速成型制备瓣膜环

6．2．1 实验材料及设备

6．2．2 快速成型制备

6．2．3 快速成型瓣膜环与静电纺材料进行复合

6．3 体外生物反应器的初步建立及体外动态培养

6．3．1 生物反应器的设计

6．3．2 生物反应器的体外动态培养

6．4 小结

6．5 参考文献

第七章 结论及后续工作建议

7．1 总结

7．2 后续工作建议

攻读博士期间发表论文及申请专利情况

致谢