PHBV基复合纳米纤维的制备及在骨组织工程的应用研究

发布时间：2018-01-19 10:35

  本文关键词： 纳米纤维 稳定皮芯结构 聚羟基丁酸戊酸酯 成形机理 骨组织工程应用　出处：《东华大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：骨组织是人体较易损伤的组织器官,每年因创伤、感染和疾病等原因引发大量的骨折及骨缺损患者,但理想的骨修复手段一直未得到发掘,这成为临床上的重大问题。骨组织工程的兴起为解决上述难题提供了一条新的希望之路。评价支架是否适用于骨组织修复,取决于其是否较好的仿生了骨的细胞外基质,主要包括:组成成分上的相似,结构上的相近以及功能上的模仿。纳米纤维因尺寸小、比表面积大、柔性高及机械性能强等特点,脱颖而出。而通过静电纺丝法制备的纳米纤维,组成成分多种多样,复合结构变化繁多,且操作简单、生产效率高、易于控制,它成为制备组织工程纳米纤维支架的最优选择。随着同轴静电纺丝的出现,此技术的应用价值进一步提升,可直接制备出具有皮芯结构的纳米纤维支架,从而拓宽了其应用领域。本论文以聚羟基丁酸戊酸酯(PHBV)的静电纺纳米纤维为基体,负载多种天然高分子物质包括聚天冬氨酸(polyaspartic acid,PAA)、壳聚糖(chitosan,CTS)以及透明质酸(hyaluronica acid,Hy A),加入羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAp)或钙钛矿(Na2La2Ti O3O10,NLT)类无机物等物质,并包裹不同的药物,制备出不同成分不同结构的骨组织工程支架材料,用于骨组织修复及骨疾病的治疗。研究内容层层递进,系统并全面的分析了支架的复合结构及多种成分间的协同作用对成骨细胞生长以及骨组织修复的影响。首先采用化学浸渍法使磷酸钙无机物(羟基磷灰石)附着于PHBV基纳米纤维表面,对其结构性能进行测试和分析。结果表明,浸渍时间和浸渍次数对羟基磷灰石的沉积量和沉积形态具有一定影响,过程不易控制。通过直接共混纺丝法制备的纳米纤维支架均具备平滑均匀无串珠的纤维形态。综合分析这两种含羟基磷灰石的纳米纤维支架的性能可知,共混静电纺纳米纤维支架可以精确控制羟基磷灰石的含量,不会对纤维膜的孔隙率造成影响,保证细胞的良性生长。选择共混静电纺丝法,改变羟基磷灰石的含量和天然聚合物的种类,分别制备PHBV,PHBV/CTS,PHBV/CTS/HA4和PHBV/CTS/HA8纳米纤维支架。经过不同的性能测试以及体外细胞培养的相关分析,发现加入壳聚糖和羟基磷灰石后,纤维直径明显降低且亲水性能变好。而壳聚糖大分子和HA之间形成的分子间作用使PHBV/CTS/HA8的拉伸机械性能优于PHBV/CTS/HA4纳米纤维支架。人体体液模拟测试结果表明,HA中的钙磷离子为化合物沉积提供了较多的结晶核,在PHBV/CTS/HA支架上形成大量的钙磷化合物。HA的含量越高,结晶物在纳米纤维表面生长的数量越多且尺寸越大,表明支架的生物活性越强。除此之外,细胞增殖率测试、细胞矿化形态观察以及特征蛋白的表达等结果都说明,本研究中的PHBV/CTS/HA8纳米纤维支架具有优异的生物相容性和诱导成骨能力。为了治疗骨组织疾病,需要对纳米纤维支架进行载药。而标准的皮芯结构是确保药物被包裹在芯层,保护药物性质并实现持续均匀释放的关键。为了制备载药皮芯纳米纤维支架,本论文对同轴静电纺皮芯射流的拉伸及皮芯结构的成形机理进行了初步探索,具体包括:(1)首先分析无限小段同轴皮芯射流在皮层驱动和芯层驱动下的受力情况,从理论上分析射流的拉伸运动;(2)根据质量守恒、电荷守恒和动量守恒建立射流的运动模型,即在不同驱动条件下,芯层射流、皮层射流半径与轴向距离之间的关系模型1~、2~;(3)推导不同驱动条件下,皮芯结构稳定成形的条件;(4)以泰勒锥顶点为起点截取射流并利用显微镜观察,分析纤维半径沿轴向的变化规律,以及不同的流速比对同轴泰勒锥形态变化和直线段长度的影响;(5)在理论分析的指导下,确定纺丝参数并检验所制备的含磷酸钙无机物PHBV基纳米纤维的皮芯结构是否稳定。基于理论指导,利用同轴静电纺制备负载NLT颗粒并包裹阿仑膦酸钠(Alendronate,Aln)的皮芯纳米纤维,标准的皮芯结构使药物性质受到有效保护。NLT和Aln的加入对纳米纤维的热机械性能影响较大,使纳米纤维熔融的速率明显减慢,重结晶的温度和速率都发生一定程度的下降。使其分解温度下降,并且分解行为减缓。阿仑膦酸钠的体外释放曲线证明皮芯结构能有效缓解药物的突释现象,实现较均匀的药物释放。当骨组织受到来自外界或体内施加的载荷后,可利用其天然的压电性将这种载荷转换成电信号并作用于骨细胞和细胞外环境,促进细胞外间隙大分子的生成。而具备ABX3型分子结构的钙钛矿类无机物所特有的压电效应与天然骨的作用极其相似。分别制备了外层负载NLT和羟基磷灰石的载药皮芯纳米纤维支架,二者对比发现,NLT加强了纤维支架的拉伸断裂强度并提高了支架表面的亲水性。纤维芯层的透明质酸和纤维外层的钙钛矿、羟基磷灰石在整个细胞培养过程中促进细胞的粘附、增殖和成熟。研究结果证明PHBV/NLT-Hy A/ica皮芯纳米纤维支架对细胞无毒性,且有益于细胞的增殖和生长。它还可以促进细胞的早期、中期和晚期成熟,利于细胞矿化,分泌特有的蛋白和形成钙沉积。利用静电纺及同轴静电纺技术制备多种复合纳米纤维支架并用于骨组织再生,研究纳米纤维对成骨细胞粘附、铺展、增殖和成熟的影响,对促进骨组织工程支架的开发和利用意义重大。本论文首次系统地分析了羟基磷灰石的形态和含量对纳米纤维支架各性能的影响。全面探索了皮层驱动和芯层驱动情况下皮芯纳米纤维稳定结构的成形机理。创新性地将钙钛矿类无机物Na2La2Ti O3O10引入同轴静电纺丝体系,发掘了负载钙钛矿类无机物的皮芯纳米纤维支架在骨组织工程领域的应用价值。
[Abstract]:A new type of scaffold for bone tissue engineering is composed of poly aspartic acid ( PAA ) , chitosan ( chitosan , CTS ) and hyaluronic acid ( Na2Ti O3O10 , NLT ) . In order to treat bone tissue diseases , it has been found that the better biological activity of PHBV / CTS / HA8 is better than that of PHBV / CTS / HA4 . In this paper , the influence of the morphology and content of hydroxyapatite on the adhesion , spreading , proliferation and maturation of the scaffold is studied . The results show that PHBV / NLT - HY A / ica sheath - core nano - fiber scaffold has no toxicity to the cells and is beneficial to the proliferation and maturation of cells .

【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R318.08;TQ340.64

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