基于壳聚糖多糖类仿生材料的制备和生物性能的研究

摘要

制备具有生物相容性和生物可吸收降解性的可再生骨损伤修复支架材料是再生医学领域研究的热点之一。本文以自然骨的成分和微结构为依据进行材料的设计和制备。以具有良好生物性能和骨修复能力的壳聚糖(CS)、聚氧化乙烯(PEO)和明胶(GEL)为原料，通过同轴静电纺丝技术制备了核壳结构的CS-PEO@GEL纳米纤维。壳聚糖和明胶结合可以得到一种精氨酸、甘氨酸和天冬氨酸序列(RGD序列)，在成分上可以有效地模拟骨组织的有机相。采用化学沉积法在CS-PEO@GEL纳米纤维表面沉积羟基磷灰石(HAP)，羟基磷灰石具有优异的骨传导性、无免疫性、生物活性等，可以有效地模拟骨组织中无机相。有机与无机二者结合可以进一步提高材料的生物活性。采用同轴静电纺丝技术得到了具有三维多孔结构的纤维膜，具有大的比表面积，能够促进细胞的粘附增殖，还有利于小分子营养物质的传输和氧气的进入以及代谢产物的排出。
　　为了与核壳结构的CS-PEO@GEL纳米纤维做对比，同时采用单溶液静电纺丝技术制备了CS-PEO纤维，GEL纤维以及CS-PEO-GEL混合纤维，并将羟基磷灰石分别沉积在这三种纤维上。本文对材料的成型条件以及生物活性进行了探究。其结果如下:
　　一、用同轴静电纺丝的技术将CS-PEO乙酸溶液作为壳溶液，GEL乙酸溶液作为核溶液，制备出核壳结构的CS-PEO@GEL纤维，得到了具有三维多孔结构的复合支架材料。其中PEO和GEL的高可纺性成功地解决了CS溶液难纺丝的问题。壳聚糖溶液和明胶溶液的浓度大小对纤维成型具有明显的影响。SEM和TEM结果显示CS-PEO@GEL纳米纤维表面均匀光滑，并具有明显的核壳结构。接触角测试显示加入亲水性较好的聚氧化乙烯和明胶能有效地提高壳聚糖的亲水性。
　　二、用3％(V/V)的戊二醛溶液对CS-PEO@GEL纤维进行化学交联，成功地提高了纤维的水稳定性。CS-PEO@GEL薄膜在水中不仅不溶解，原先的三维多孔微观结构还保存得很完整。
　　三、通过化学沉积法制备HAP@CS-PEO@GEL复合支架材料，并研究了沉积循环次数、不同矿化模板、pH值以及温度对沉积HAP的影响。进行一次沉积，100nm左右片状结构的HAP纳米颗粒均匀地包覆CS-PEO@GEL纳米纤维，复合材料保留三维多孔结构;而进行两次沉积后，过多的纳米颗粒覆盖导致三维多孔结构消失。与单纺的壳聚糖-聚氧化乙烯纤维、明胶纤维、壳聚糖-聚氧化乙烯-明胶混合纤维相比，核壳结构的壳聚糖-聚氧化乙烯@明胶纤维中，以壳聚糖-聚氧化乙烯作为壳层，有利于螫合溶液中的Ca2+，提高了羟基磷灰石的沉积效率。高分辨透射电镜和XRD显示该羟基磷灰石为P63/m六方晶系;EDS结果表明材料中的Ca/P原子比为1.64，与羟基磷灰石分子式中的Ca/P原子比(1.67)相近。
　　四、将CS-PEO纤维、HAP@CS-PEO纤维、GEL纤维、HAP@GEL纤维、CS-PEO-GEL混合纤维、HAP@CS-PEO-GEL混合纤维、CS-PEO@GEL纳米纤维和HAP@CS-PEO@GEL纳米纤维进行细胞毒性和细胞增殖测试。MG-63细胞在所有样品的浸提液中培养48h后，细胞活性都超过了80％，说明所有样品毒性较低，可以进行后续的细胞增殖实验。MG-63细胞接种在支架材料上共同培养了1，3，5，7天后，细胞数量随时间的推移而增加，说明细胞成功地粘附在材料上并且继续生长增殖。
　　从成分上对比，壳聚糖和明胶复合材料的生物活性比单纯的壳聚糖和明胶的生物活性要高。相对于成分一样的CS-PEO-GEL混合纤维和CS-PEO@GEL纤维来说，细胞在CS-PEO@GEL纤维部分区域密度比在CS-PEO-GEL混合纤维大，说明壳聚糖作为壳层可以充分利用分子链上的氨基基团，促进细胞的增殖。当羟基磷灰石负载在聚合物纤维上后，与纯聚合物对比，MG-63细胞在材料上的生长状态比纯聚合物有着明显的提高。影响细胞的生长不仅仅取决于材料的组成成分，还取决于材料的微观结构。三维多孔结构在后续的细胞培养中为细胞生长提供良好的环境，利于细胞的生长。综上，具有核壳结构的CS-PEO@GEL纳米纤维并负载了羟基磷灰石的复合支架材料生物相容性最好，在骨组织修复工程中具有潜在的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 骨损伤修复及骨的成分和结构

1．2 骨损伤修复生物支架材料的发展

1．3．1 静电纺丝技术简介

1．3．2 静电纺丝技术制备天然多糖类生物支架材料的研究

1．4 课题的创新之处和研究内容

第二章 壳聚糖-聚氧化乙烯@明胶核壳纳米纤维的制备

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 纺丝液的制备

2．2．3 静电纺丝过程

2．2．4 化学交联实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 壳聚糖-聚氧化乙烯@明胶纤维的形貌

2．3．2 热重和光谱分析

2．3．3 接触角测量

2．4 本章小结

第三章 羟基磷灰石@壳聚糖-聚氧化乙烯@明胶纳米纤维的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 化学沉积羟基磷灰石

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同循环次数沉积对HAP形貌的影响

3．3．2 不同矿化模板对HAP沉积效率的影响

3．3．3 pH值对HAP形貌的影响

3．3．4 不同温度对HAP形貌的影响

3．3．5 热重和光谱分析

3．3．6 羟基磷灰石@壳聚糖-聚氧化乙烯@明胶纤维的x射线衍射分析

3．4 本章小结

第四章 生物性能测试

4．1 生物性能测试

4．1．1 毒性测试

4．1．2 细胞增殖

4．1．3 细胞观察

4．2 结果与讨论

4．2．1 毒性测试结果分析

4．2．2 增殖实验结果分析

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 工作展望

参考文献

致谢

硕士期间成果

附录