改性多壁碳纳米管的生物矿化及其纳米纤维化复合支架的制备

摘要

在骨组织工程中，理想的支架应模拟天然细胞外基质(ECM)的微观结构以支持细胞的生长及引导三维组织的形成。此外，支架还应具有与修复组织相匹配的力学性能。相分离方法制备的纳米纤维化的三维支架可有效的模拟ECM的特性。而碳纳米管(CNTs)由于具有优异的长径比、结构尺寸、力学强度、电磁和导热性能以及良好的生物相容性被认为是理想的骨修复材料的增强填料。本文首先通过化学改性和生物矿化改善CNTs的分散性和表面活性，然后与相分离方法制备的大孔脂肪族聚酯纳米纤维化三维支架进行复合以改善支架的力学性能和生物学性能。
　　 首先，通过H2SO4/HNO3对MWNTs进行化学氧化处理制备了表面具有-COOH、-OH等极性官能团的a-MWNTs。结合简单的小分子反应将磷酸根官能团接枝到MWNTs表面制备了p-MWNTs。采用实时监控pH并通入适量CO2的方式长时间维持高浓度模拟生理体液(i-5SBF)的pH为6.40±0.02以模拟天然生物矿化的过程。将不同官能化的MWNTs分散于i-5SBF不同时间，研究官能团对MWNTs生物矿化行为的影响。通过控制矿化时间制备了具有不同化学组成和形貌的MWNT-磷灰石复合材料。采用SEM、TEM、EDX、XRD、FT-IR和TGA等表征了不同矿化时间所得的产物。结果显示，i-5SBF有效地抑制了均相成核的发生;磷酸根较羧酸根具有更好的诱导磷灰石沉积的促进作用;通过热处理可改善矿化产物的结晶性。根据矿化结果推测了p-MWNTs在i-5SBF中的矿化机理。所制备的保持原有MWNTs形貌和分散性的MWNT/无定形磷灰石复合材料(MWNT-ACP)是理想的纳米纤维化骨修复支架的理想填充材料。
　　 然后，采用相分离方法制备了脂肪族聚酯纳米纤维化支架材料。首次制备了PLGA5050纳米纤维化支架，并研究了THF/H2O混合溶剂对无形性PLGA相分离行为的影响，推测了造成PDLGA7525和PLGA5050产物形貌不同的原因。结果发现，PDLGA7525/THF/H2O体系仅在局部位置可得到纳米纤维结构;对于PLGA5050/THF体系在凝胶温度为70℃时，可形成均匀的纳米纤维化结构，而不良溶剂-水的引入会导致液-液相分离的发生。结合盐制孔方法制备了大孔纳米纤维化PLGA5050三维支架，制孔剂的预处理温度对孔内壁的形貌有重要影响，温度越低越易于形成纤维化的孔内壁。此种PLGA5050三维支架具有孔贯穿性较好、孔隙率大、蛋白吸附量高和良好的生物学性能，细胞在材料上生长状态良好，并长入支架内部。
　　 最后，通过相分离方法制备了PLLA/a-MWNTs(MWNT-ACP)纳米纤维化复合材料。由SEM和接触角的结果显示，a-MWNTs的添加量对PLLA纳米纤维的形貌无显著的影响，并且随着添加量的升高，材料的接触角有显著的改善。结合相分离方法和盐制孔方法可以制备大孔纳米纤维化PLLA/MWNTs三维复合支架。研究发现不同a-MWNTs添加量对大孔支架的力学性能有重要的影响。当添加量为5wt％时，较纯PLLA大孔支架压缩模量提高3倍多。相同添加量下，a-MWNTs的增强效果要优于MWNT-ACP。此种大孔纳米纤维化PLLA/MWNT-ACP三维复合支架结合了纳米纤维化PLLA、MWNTs和磷灰石的优势，拥有优异的综合性能有望成为理想的骨修复支架材料。