多巴胺改性生物大分子梯度支架材料的构筑与性能调控

发布时间：2020-09-15 07:25

　　由于骨创伤、骨髓炎、骨肿瘤等骨科疾病引起的骨缺损日益增多,人们对骨修复支架材料的要求也越来越高。自然骨组织是一个复杂的梯度结构,而传统的骨修复支架材料结构单一,无法较好地支撑骨组织的再生。骨修复支架材料与组织、细胞间的相互作用也是影响骨组织再生的重要因素,传统的骨修复支架材料由于缺乏细胞识别位点,导致其与周围组织的界面结合力较弱,不利于细胞的粘附、增殖以及组织的重建。因此,制备理想的骨修复支架材料需要在模拟自然骨组织梯度结构的同时有效改善其与细胞、组织间的相互作用。本文利用具有超强粘附性、优异反应活性的多巴胺功能单体改性生物大分子,并将改性大分子与纳米材料复合简单、快速地构筑多巴胺改性生物大分子梯度支架材料,着重考察梯度支架材料的微观结构、孔隙率、力学性能、降解性能、矿化性能、药物负载与释放性能、生物相容性、细胞粘附性以及体内成骨活性。1.聚多巴胺/海藻酸-多巴胺梯度支架材料的构筑与性能调控选用功能单体多巴胺(DA)改性海藻酸(Alg),合成海藻酸-多巴胺(Alg-DA)改性生物大分子。利用DA在弱碱性环境中的氧化自聚反应,制备尺寸均匀、粒度可控的聚多巴胺纳米粒子(PDA NPs)。将不同浓度的Alg-DA与PDA NPs复合并通过冷冻干燥法制备PDA/Alg-DA梯度支架材料。同时,通过冷冻干燥法分别制备Alg、PDA/Alg、Alg-DA以及PDA/Alg-DA均匀支架材料,以探究DA、PDA NPs对梯度支架各层结构和性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)观察支架内部形貌,发现梯度支架材料具有规整的孔结构,孔径呈梯度分布;支架材料层与层之间结合紧密,未出现断层或裂缝现象,孔洞互相连通,孔隙率达76%左右。利用万能试验机测试梯度支架材料的力学性能,当支架材料的压缩形变为10%时,其压缩模量可达0.93 MPa;进一步考察梯度支架的体外降解性能、矿化性能以及药物负载与释放性能,结果表明:梯度支架材料降解35天后,其降解率约为14%;支架材料具有优异的矿化性能,能有效促进磷酸钙盐在其表面的沉积;其也具有较高的药物负载率并可实现药物的缓慢释放。MTT以及FDA染色测试结果显示支架材料具有良好的细胞相容性,细胞存活率较高,细胞形态良好。利用SEM考察梯度支架材料的细胞粘附性能,发现细胞能牢固地粘附于支架材料表面以及内部孔道之中,表明其具有优异的细胞粘附性能。研究DA、PDA NPs改性对梯度支架材料各层结构和性能的影响,发现引入DA以及PDA NPs后梯度支架材料的内部孔径、孔隙率、降解速率有所减小,力学性能、矿化性能、药物负载与释放性能以及细胞粘附性能得到了明显的改善。2.羟基磷灰石/海藻酸-多巴胺梯度支架材料的构筑与性能调控为进一步改善梯度支架材料的力学性能与成骨活性,引入羟基磷灰石与Alg-DA复合,以制备复合梯度支架材料。选用功能单体(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵(CHPTAC)对壳聚糖(CS)进行季铵化改性,合成季铵化壳聚糖(QCS)。通过仿生合成法,以QCS为大分子模板,原位合成羟基磷灰石(QCHA)。将QCHA与改性生物大分子Alg-DA以不同比例复合并通过冷冻干燥法制备QCHA/Alg-DA梯度支架材料。对其微观结构、孔隙率、力学性能、降解性能、矿化性能、药物负载与释放性能、生物相容性、细胞粘附性以及体内成骨性能进行考察,结果显示:QCHA/Alg-DA梯度支架具有较为规整的孔结构,孔径呈梯度分布,并随着QCHA含量的增加而减小;支架孔隙率也呈梯度分布,总孔隙率约为72%;力学性能良好,从上层到底层,随着QCHA含量的增加而逐渐增强,当压缩形变为10%时,梯度支架压缩模量可达1.70 MPa;降解周期较为适宜,降解35 d后,其降解率约为30%,基本匹配新骨的生长速度;具有良好的矿化性能,有利于磷酸钙盐在其表面沉积;具有较好的药物负载性能,能实现药物的缓慢释放;梯度支架材料的生物相容性和细胞粘附性良好,细胞存活率较高,有利于细胞的粘附与生长;动物实验结果表明该种梯度支架材料具有较好的组织相容性和成骨活性,可有效促进骨组织的再生与重建。通过合理的结构设计,本论文模拟自然骨组织的结构构筑了两种多巴胺改性生物大分子梯度支架材料。这两种支架材料均具有规整的梯度孔结构,孔隙率较高,力学性能良好,降解周期适宜,具有优异的矿化性能、药物负载与释放性能以及良好的细胞相容性、细胞粘附性和成骨活性,有望作为骨修复支架材料应用于临床医学领域。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：

示意图,梯度结构,骨组织,示意图

其内部结构十分复杂，包含了微米、纳米等多种尺度，如图 1-1 所示[44]。部的细胞密度由内层向表层逐步增加，是一种由海绵质向致密质逐步变化的梯其中孔隙结构致密部分为骨组织提供优异的力学强度，孔隙结构疏松部分则能骨组织密度[45-47]。正由于这种特殊的层次结构，赋予了自然骨坚而韧的特性，物体内能起到良好的支撑作用。因此，对于骨修复材料而言，结构单一的非梯经很难满足骨组织重建、再生所需的生物特性[48]。一方面是由于其与自然骨结大，功能性相对单一；另一方面则是因为在骨修复过程中涉及到多种细胞的生，不同细胞所需的生理环境各不相同，对孔径、孔隙率等的要求也存在一定的非梯度支架材料的生物特性单一，很难满足不同细胞生长所需的要求。度功能材料的发展为解决非梯度材料存在的问题提供了可能。梯度功能材料具梯度结构，与骨组织十分相似；结构上的梯度也决定了梯度材料功能上的多样性较好地满足骨缺损修复在生物学和力学上所需的要求[50]；将梯度功能材料作为架可有效减少应力屏蔽的发生，减少支架和周围骨组织之间的剪切应力[51]，从损骨组织的修复与重建。因而，构筑与自然骨结构、性能相似的功能梯度材料疗骨缺损的有效途径之一。

示意图,米粒,示意图

图 2-1Alg-DA 的合成示意图Fig.2-1 Schematic illustration of the synthesis of Alg-DA米粒子(PDA NPs)的制备

曲线,支架材料,曲线,吸光度

图 2-4 LVFX 的标准曲线(n=5)Fig.2-4 The standard curve of levofloxacin (n=5)载浸泡在一定浓度的 LVFX 溶液中，并与空白对照组同时12 h，然后利用 UV-vis 测定 LVFX 溶液的吸光度，并利中 LVFX 的含量，进而计算支架材料对 LVFX 的负载量外释放LVFX 的支架材料置于 20 mL 含有 2.5 mM CaCl2的 PBS器中震荡一定的时间后，取适量上清液测定其吸光度，根FX 的释放量，每组支架平行测试三次。细胞相容性测试提液：分别将 5 mg PDA/Alg-DA 梯度支架材料以及 AAlg-DA 均匀支架材料浸泡在 2 mL DMEM 培养液(含 10%5% CO2、95%湿度的无菌环境下浸提 36 h。

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