骨修复用电纺纤维支架的制备与性能研究

摘要

随着组织工程和再生医学的发展，组织工程材料为临床上骨缺损或衰竭的修复和治疗提供了希望。近年来，对骨组织工程支架的研究受到了广泛关注。针对骨组织的特点，将生物活性陶瓷材料引入聚合物基体形成复合结构，能有效地模拟骨的化学成分，以提高其生物活性；同时，结构高度仿生化的纳米纤维支架有望对骨细胞的生长产生刺激，从而诱导骨的形成。所以，设计和制备聚合物/生物活性陶瓷纳米复合纤维，有望为骨组织工程提供必需的支架材料。
　　 在本课题组以前的工作基础上，本文制备并研究了聚(乳酸-羟基乙酸)/羟基磷灰石(PLGA/HA)复合纤维支架的生物相容性。将自制的颗粒状纳米羟基磷灰石(HAp)与市售的针状羟基磷灰石(aHA)分别与PLGA溶液混合，通过静电纺丝技术制备了多孔网状且孔间连通的PLGA/HAp和PLGA/aHA复合纳米纤维膜支架。HAp和aHA能均匀地分散在PLGA中，且HAp的复合更有效地提高了PLGA纤维在模拟体液中的生物矿化性能。将新生小鼠颅骨源性的成骨样细胞系(MC3T3-E1细胞)培养在纤维支架上，支架能有效地维持细胞的活性并促进其增殖，但细胞在PLGA/HAp纤维膜上的形态更为铺展，分泌了更多的碱性磷酸酶(ALP)，表明该类PLGA/HAp复合纤维膜具有更强的成骨活性。
　　 通过模拟天然骨中胶原和羟基磷灰石的矿化自组装过程，制备了PLGA/胶原/HA复合纤维膜支架。利用等离子体处理提高了PLGA纤维的亲水性，使得胶原有效地涂层修饰在表面。修饰后的PLGA/胶原纤维能在模拟体液中生物矿化，矿物颗粒先在纤维表面成核再逐渐长大至绒球状的晶体，随着时间的延长甚至覆盖了纤维膜表面。通过X-射线能谱(EDS)、红外光谱(FTIR)对其化学成分的分析及X-射线衍射能谱(XRD)和透射电镜(TEM)的晶型判断，证实了矿物颗粒是由HA晶体构成的聚集体。矿化制备的复合纤维膜的力学性能得到了改善。MC3T3-E1成骨细胞的体外培养表明，胶原改性纤维膜和沉积HA的复合纤维膜均能维持细胞的活性，且有利于细胞的铺展生长；尤其是矿化复合纤维膜上的细胞在培养14d后表达了更高的ALP活性，说明其具有较强的维持成骨细胞表型的能力。这种高度仿生化的复合纤维有望成为骨组织工程和再生医学中理想的活性支架。
　　 针对纤维支架因纤维致密堆积而孔径偏小的问题，用不同方法探索了制备双孔型纤维膜的可行性。发现将PLGA纤维与氯化钠(NaCl)颗粒在电纺过程中共混掺杂再将NaCl沥滤的方法，可以制备具有大孔结构的纳米纤维膜。再进一步通过胶原改性和矿化技术，可获得双孔型PLGA/胶原/HA复合纤维膜，且HA在纤维表面及大孔内均有沉积。我们认为，该类双孔型复合纤维有望在保持细胞活性的同时解决细胞渗透的难题，具有在骨组织工程中最终实质性应用的潜力。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章 文献综述

1.1组织工程和再生医学

1.2组织工程的研究内容

1.3组织工程支架

1.3.1组织工程支架材料

1.3.2组织工程支架的制备

1.3.3组织工程支架的表面改性

1.4骨组织工程及其材料

1.4.1骨的组织学特点

1.4.2骨组织工程的研究

1.5静电纺丝技术及其在组织工程中的应用

1.5.1静电纺丝的原理

1.5.2静电纺丝的影响因素

1.5.3静电纺丝的新技术

1.5.4静电纺丝在组织工程中的应用

1.5.5静电纺丝面临的挑战

1.6课题的提出

第二章 PLGA/HA复合纤维膜的制备与成骨相容性研究

2.1实验部分

2.1.1原料和试剂

2.1.2羟基磷灰石纳米颗粒(HAp)的制备

2.1.3 PLGA/HA复合纤维膜的制备

2.1.4 PLGA/HA复合纤维膜的生物矿化研究

2.1.5 PLGA/HA复合纤维膜的成骨相容性评价

2.2结果与讨论

2.2.1羟基磷灰石颗粒(HAp)的结构

2.2.2 PLGA/HA复合纤维膜的结构

2.2.3 PLGA/HA复合纤维膜的生物矿化性能

2.2.4 PLGA/HA复合纤维膜的成骨相容性

2.3本章小结

第三章 PLGA/胶原/HA复合纤维膜的制备与性能研究

3.1实验部分

3.1.1原料和试剂

3.1.2 PLGA纤维膜的制备及胶原改性

3.1.3矿化制备HA沉积的PLGA/胶原复合纤维膜

3.1.4测试与表征

3.1.5纤维膜的成骨相容性评价

3.2结果与讨论

3.2.1 PLGA纤维膜的等离子体处理

3.2.2 PLGA纤维膜等离子体处理后胶原的涂层

3.2.3 PLGA/胶原改性纤维膜的原位矿化

3.2.4 PLGA/胶原矿化纤维膜上沉积矿物的鉴定

3.2.5 PLGA纤维膜的力学性能

3.2.6 PLGA/胶原/HA复合纤维膜的成骨相容性

3.3本章小结

第四章 双孔型PLGA/胶原/HA复合纤维膜的制备与性能研究

4.1实验部分

4.1.1原料和试剂

4.1.2双孔型PLGA纤维膜的制备

4.1.3双孔型PLGA纤维膜的胶原改性

4.1.4双孔型PLGA/胶原改性纤维膜的原位矿化

4.1.5双孔型PLGA纤维膜的形态观察

4.1.6双孔型PLGA/胶原/HA复合纤维膜的成骨相容性评价

4.2结果与讨论

4.2.1双孔型PLGA纤维膜的制备方法的研究

4.2.2双孔型PLGA纤维膜的胶原改性和原位矿化

4.2.3成骨细胞在双孔型PLGA纤维膜上的生长

4.3本章小结

第五章 全文总结

建议和展望

参考文献

作者简介