基于明胶的生物弹性体及生物医用膜材料的制备与性能研究

发布时间：2017-04-05 05:07

  本文关键词：基于明胶的生物弹性体及生物医用膜材料的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于弹性体材料是重要的战略物资,而合成弹性体主要基于石化产品,石油资源不可再生,开发生物基弹性体材料符合可持续发展的战略。明胶作为一种来源于生物体的蛋白质,具有优良的生物相容性、无毒性等优异性能,本论文首先以明胶为主要原材料,以临床生物医用膜为目的,采用丙三醇增塑的方法,制备了明胶基弹性体及其纳米复合材料,研究了增塑机理,及不同纳米粒子增强复合材料的结构和性能；其次,针对特定的应用目标,采用静电纺丝的方法,制备了载药型的引导组织再生膜,研究了不同的载药方式对膜材料的性能及药物释放效果的影响；另外,制备了可用于防粘连膜的纤维膜,并对其体内防粘连效果进行评价。基于明胶制备弹性体及膜材料应用于生物医学方面,既能解决废弃问题,又能开拓新的材料应用途径,且制备的材料可降解,达到“来源于自然,绿色化制备,回归于自然”的愿景。采用热共混的方法,用高含量的甘油增塑明胶,制备了明胶基生物弹性体,通过分析弹性体的微观结构研究了增塑机理,小分子的甘油与明胶大分子形成氢键作用,起到增塑作用,减小明胶大分子之间的相互作用,弹性体中存在明胶分子的多种微观聚集形态结构。增塑剂含量的变化对弹性体的理化性能、力学性能和加工性能均有一定影响。在放置过程中,该弹性体由于明胶大分子的自组装和进一步聚集发生一定的老化现象,导致力学性能的变化。通过京尼平交联后,弹性体的力学性能和耐水性提高,且无细胞毒性。当增塑剂含量为100phr和150phr时,明胶弹性体材料的综合性能优于其他更高增塑剂含量的弹性体材料。为了同时研究增塑剂含量和增强体含量对明胶弹性体纳米复合材料性能的影响,在G100和G150明胶弹性体中分别加入不同份数的白炭黑、羟基磷灰石、埃洛石、生物活性玻璃纳米粒子制备一系列明胶基纳米复合材料,明胶和纳米粒子具有相互作用,纳米粒子均能在明胶基体中很好的分散,且提高了力学性能,并赋予一定的功能性。以制备抗感染的引导组织再生膜为目的,以具有优异的生物相容性和力学性能的PCL和明胶为基体,静电纺丝共混载药,加入不同含量的抗炎抗菌药物,系统研究静电纺丝制备甲硝唑载药的PCL膜、PCL-明胶膜、加入醋酸得到的均一PCL-明胶膜的性能,并调控合成材料PCL与天然材料明胶的比例,通过研究药物与大分子基体之间的相互作用,药物在纳米纤维中的分布情况,及药物含量对纤维膜的相关性能的影响——纤维形貌、物理化学性能、热性能、力学性能、表面亲水性、药物载药率、药物释放行为、体外降解性能(降解过程中的质量损失、形貌变化和力学性能的变化)、体外细胞毒性、对细胞的粘附增殖的影响、对细胞的屏蔽性能、抑菌作用,及体内动物实验长期的生物相容性、对炎症的抑制作用和降解行为,以期得到最佳的纺丝纤维膜。加入药物能够明显的抑制细菌的繁殖且起到抗炎症的作用,采用PCL和明胶作为基体材料,可以综合利用PCL的良好力学性能和明胶的生物相容性和亲水性,纤维膜的降解速率可以通过改变PCL和明胶的比例有效调控,以实现与不同病人及不同组织类型的组织再生速率的匹配。通过静电纺丝的方法制备用于去骨瓣术后的预防硬脑膜粘连的防粘连膜,制备不同PCL-明胶比例的均一杂化纳米纤维膜材料,纤维膜的体内外降解速率可以通过PCL-明胶比例有效调控,所有组成的纤维膜均有良好的体内外生物相容性。颅骨缺损动物模型试验表明,静电纺丝纤维膜能够有效的起到防止硬脑膜与皮下组织的粘连,且能促进颅骨缺损处颅骨的再生速率,起到引导成骨和促成骨作用,在一定时间后可以自行降解吸收。该一系列不同降解速率的膜材料,也为医生根据病人的状况,预测进行颅骨修补术的时间,以选择具有合适降解时间的防粘连膜,具有临床使用意义和前景。通过载药埃洛石纳米管载入静电纺丝纤维形成纳米-微米复合纤维,实现长久的药物释放和高药物浓度的释放,作为抗感染膜材料。通过研究载入的埃洛石纳米管的含量对静电纺丝纤维膜的性能的影响,以得到最高的纤维中载入的纳米管的含量,得到最高载药量；并研究载药纳米管载入纤维中后载药纤维膜的药物释放行为和各项性能,以实现持续的药物释放。载有25%甲硝唑药物的20wt.%的埃洛石纳米管可以成功的加入到静电纺丝的纤维中,直径为50 nm,长度为60 nm的埃洛石纳米管可以沿着纤维方向排列,使力学性能两相异性,纤维膜具有很好的屏蔽性能和生物相容性,载药的纤维膜能够更长久的持续释放药物,结合了纤维载药和管载药的两个特点,延缓药物释放时间,释放的药物能够有效的抑制细菌的繁殖。通过一系列反应制备炎症响应型载药引导组织再生膜,以期达到炎症响应型可控药物释放,能根据不同的炎症情况可控的释放合理的药物含量。将药物通过酯键接枝到纤维膜上：PCL纤维膜表面多巴胺包覆,在膜表面引入大量羟基；加入硅烷偶联剂,与膜表面的羟基反应,使得膜表面引入氨基；将甲硝唑药物与丙烯酰氯反应,得到酯化后的甲硝唑药物；酯化后的甲硝唑上的碳碳双键与静电纺丝纤维膜表面的氨基进行迈克尔加成反应,将药物通过酯键接枝到纤维膜表面。通过SEM观察各反应后纤维膜的形貌,红外、EDS、XPS表征反应结果,通过紫外及高效液相色谱测试纤维膜表面药物的接枝量,并用CE酶作用下研究酶对药物的刺激响应型可控释放规律的影响,并研究经过多步反应后纤维膜的生物相容性,以期最终得到高载药量的静电纺丝炎症响应型药物释放膜。基于明胶,开展了相关的的生物弹性体及生物医用膜材料的制备、性能与研究,制备了新材料并进行了性能研究,发现了该新材料的相关新现象和新机理,并开发了相关的功能化产品。
【关键词】：明胶 生物弹性体 静电纺丝 药物释放 引导组织再生 防粘连
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ340.64;TQ460.1
【目录】：

• 摘要5-9
• Abstract9-30
• 第一章 绪论30-42
• 1.1 课题来源30
• 1.2 课题背景30
• 1.3 明胶的基本结构、性能及应用30-34
• 1.3.1 明胶的基本结构30-31
• 1.3.2 明胶的基本性质31
• 1.3.3 明胶的增塑31-32
• 1.3.4 明胶基纳米复合材料32-34
• 1.4 生物医用膜材料34-39
• 1.4.1 引导组织再生膜34-36
• 1.4.2 防粘连膜36-37
• 1.4.3 药物缓释系统及静电纺丝技术在其中的应用37-39
• 1.5 本课题提出的依据、目的和意义及研究内容和创新之处39-42
• 1.5.1 本课题的依据、目的和意义39
• 1.5.2 本课题的主要研究内容39-41
• 1.5.3 论文的创新点41-42
• 第二章 明胶基生物弹性体的制备与性能研究42-70
• 2.1 引言42
• 2.2 实验部分42-46
• 2.2.1 实验原料与试剂42
• 2.2.2 明胶基生物弹性体的制备42-43
• 2.2.3 甘油增塑明胶弹性体的性质表征43-44
• 2.2.4 明胶弹性体的细胞毒性44-46
• 2.2.5 明胶弹性体的交联46
• 2.3 明胶弹性体甘油增塑机理的研究46-61
• 2.3.1 明胶弹性体生胶的XRD47-49
• 2.3.2 明胶弹性体生胶的热性能49-51
• 2.3.3 明胶弹性体生胶的动态力学性能51-53
• 2.3.4 明胶弹性体生胶的介电常数53-54
• 2.3.5 明胶弹性体生胶的加工性能54-56
• 2.3.6 明胶弹性体生胶的力学性能56-58
• 2.3.7 明胶弹性体生胶的亲水性能58-59
• 2.3.8 明胶弹性体生胶的细胞毒性59-61
• 2.4 明胶弹性体放置过程中的老化现象61-65
• 2.4.1 明胶弹性体生胶放置不同时间的XRD62
• 2.4.2 明胶弹性体生胶放置不同时间力学性能的变化62-65
• 2.5 明胶弹性体的交联65-69
• 2.5.1 交联后明胶弹性体的力学性能65
• 2.5.2 交联后明胶弹性体的耐水性65-66
• 2.5.3 交联后明胶弹性体的细胞毒性66-69
• 2.6 小结69-70
• 第三章 明胶基弹性体纳米复合材料的制备与性能研究70-112
• 3.1 引言70
• 3.2 实验部分70-72
• 3.2.1 实验原料与试剂70
• 3.2.2 明胶基生物弹性体纳米复合材料的制备70-71
• 3.2.3 明胶基生物弹性体纳米复合材料的性能表征71-72
• 3.3 明胶/白炭黑纳米复合材料的性能研究72-87
• 3.3.1 白炭黑在明胶/白炭黑复合材料中的分散72-75
• 3.3.2 明胶/白炭黑复合材料的内部相互作用分析75-76
• 3.3.3 明胶/白炭黑复合材料的热性能76-78
• 3.3.4 明胶/白炭黑复合材料的填料网络结构及加工性能78-81
• 3.3.5 明胶/白炭黑复合材料的力学性能及老化现象81-85
• 3.3.6 明胶/白炭黑复合材料的细胞毒性85-86
• 3.3.7 小结86-87
• 3.4 明胶/纳米羟基磷灰石纳米复合材料的性能研究87-100
• 3.4.1 纳米羟基磷灰石在明胶/HAp复合材料中的分散87-88
• 3.4.2 明胶/HAp复合材料的内部相互作用分析88-89
• 3.4.3 明胶/HAp复合材料的热性能89-91
• 3.4.4 明胶/HAp复合材料的填料网络结构及加工性能91-95
• 3.4.5 明胶/HAp复合材料的力学性能及老化现象95-98
• 3.4.6 明胶/HAp复合材料的细胞毒性98-99
• 3.4.7 小结99-100
• 3.5 明胶/埃洛石纳米复合材料的性能研究100-106
• 3.5.1 HNT在明胶/HNT复合材料中的分散100-101
• 3.5.2 明胶/HNT复合材料的内部相互作用分析101-102
• 3.5.3 明胶/HNT复合材料的热性能102-104
• 3.5.4 明胶/HNT复合材料的填料网络结构及加工性能104-105
• 3.5.5 明胶/HNT复合材料的力学性能105-106
• 3.5.6 小结106
• 3.6 明胶/生物活性玻璃纳米复合材料的性能研究106-112
• 3.6.1 生物活性玻璃在明胶/Bg复合材料中的分散107
• 3.6.2 明胶/Bg复合材料的内部相互作用分析107-108
• 3.6.3 明胶/Bg复合材料的热性能108-110
• 3.6.4 明胶/Bg复合材料的力学性能110
• 3.6.5 小结110-112
• 第四章 静电纺丝载药型引导组织再生膜的制备与性能研究112-214
• 4.1 引言112
• 4.2 实验部分112-126
• 4.2.1 实验原料与试剂112-113
• 4.2.2 实验仪器与设备113-114
• 4.2.3 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜的制备114-116
• 4.2.4 静电纺丝PCL-明胶载药MNA纤维膜的制备116
• 4.2.5 静电纺丝PCL-明胶均一载药MNA纤维膜的制备116-117
• 4.2.6 静电纺丝PCL-明胶不同聚合物基体比例均一载药MNA纤维膜的制备117
• 4.2.7 聚己内酯与甲硝唑之间相互作用的分子模拟117-118
• 4.2.8 静电纺丝纤维膜的形貌118-119
• 4.2.9 静电纺丝纤维膜的物理化学性能、热性能及力学性能的表征119-120
• 4.2.10 静电纺丝纤维膜表面亲水性的表征120
• 4.2.11 静电纺丝纤维膜的载药率和药物释放120
• 4.2.12 静电纺丝纤维膜的体外降解性能120-121
• 4.2.13 静电纺丝纤维膜的抑菌性能121-122
• 4.2.14 静电纺丝纤维膜的体外生物相容性122-124
• 4.2.15 静电纺丝纤维膜的细胞屏蔽性能124-125
• 4.2.16 静电纺丝纤维膜的体内生物相容性与降解性能125-126
• 4.2.17 数据统计学分析126
• 4.3 静电纺丝合成材料载药型引导组织再生膜PCL-MNA的性能研究126-147
• 4.3.1 聚己内酯与甲硝唑之间相互作用的分子模拟126-128
• 4.3.2 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜的形貌128-131
• 4.3.3 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜的物理化学性能、热性能及力学性能的表征131-134
• 4.3.4 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜表面水接触角134-135
• 4.3.5 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜的载药率和药物释放135-136
• 4.3.6 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜的体外降解性能136-138
• 4.3.7 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜的抑菌性能138-139
• 4.3.8 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜的体外生物相容性139-143
• 4.3.9 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜的细胞屏蔽性能143-144
• 4.3.10 静电纺丝PCL-MNA纳米纤维膜的体内生物相容性与降解性能144-147
• 4.3.11 小结147
• 4.4 静电纺丝合成材料-天然材料载药型引导组织再生膜PCL-明胶-MNA的性能研究147-166
• 4.4.1 静电纺丝PG-MNA纤维膜的形貌148-151
• 4.4.2 静电纺丝PG-MNA纤维膜的物理化学性能、热性能及力学性能的表征151-153
• 4.4.3 静电纺丝PG-MNA纤维膜表面水接触角153-154
• 4.4.4 静电纺丝PG-MNA纤维膜的载药率和药物释放154-156
• 4.4.5 静电纺丝PG-MNA纤维膜的体外降解性能156-157
• 4.4.6 静电纺丝PG-MNA纤维膜的抑菌性能157-158
• 4.4.7 静电纺丝PG-MNA纤维膜的体外生物相容性158-161
• 4.4.8 静电纺丝PG-MNA纤维膜的细胞屏蔽性能161-162
• 4.4.9 静电纺丝PG-MNA纤维膜的体内生物相容性与降解性能162-165
• 4.4.10 小结165-166
• 4.5 静电纺丝均一型载药引导组织再生膜PGH-MNA的性能研究166-197
• 4.5.1 醋酸的加入对PCL-明胶纺丝过程的影响167-168
• 4.5.2 静电纺丝PGH-MNA纳米纤维膜的形貌168-170
• 4.5.3 静电纺丝PGH-MNA纤维膜的物理化学性能、热性能及力学性能的表征170-173
• 4.5.4 静电纺丝PGH-MNA纳米纤维膜表面水接触角173
• 4.5.5 静电纺丝PGH-MNA纳米纤维膜的载药率和药物释放173-175
• 4.5.6 静电纺丝PGH-MNA纳米纤维膜的体外降解性能175-176
• 4.5.7 静电纺丝PGH-MNA纳米纤维膜的抑菌性能176-177
• 4.5.8 静电纺丝PGH-MNA纳米纤维膜的体外生物相容性177-180
• 4.5.9 静电纺丝PGH-MNA纳米纤维膜的细胞屏蔽性能180-181
• 4.5.10 静电纺丝PGH-MNA纳米纤维膜的体内生物相容性与降解性能181-184
• 4.5.11 对PCL、PG、PGH三种载药纤维膜的性能对比研究184-195
• 4.5.12 小结195-197
• 4.6 静电纺丝可控降解速率载药型GTR膜197-214
• 4.6.1 静电纺丝纳米纤维膜的形貌197-199
• 4.6.2 静电纺丝纳米纤维膜的物理化学性能、热性能及力学性能的表征199-202
• 4.6.3 纳米纤维膜表面水接触角202-203
• 4.6.4 纳米纤维膜的载药率和药物释放203-204
• 4.6.5 纳米纤维膜的体外降解性能204-206
• 4.6.6 纳米纤维膜的抑菌性能206
• 4.6.7 纳米纤维膜的体外生物相容性206-210
• 4.6.8 纳米纤维膜的细胞屏蔽性能210-211
• 4.6.9 纳米纤维膜的体内生物相容性与降解性能211-212
• 4.6.10 小结212-214
• 第五章 静电纺丝可控降解速率纤维膜用于颅骨缺损防粘连膜214-232
• 5.1 引言214
• 5.2 实验部分214-217
• 5.2.1 静电纺丝PGH纤维膜的制备214-215
• 5.2.2 静电纺丝PGH纳米纤维膜的体外性能表征215
• 5.2.3 PGH纳米纤维膜的体内生物相容性及降解性能215-216
• 5.2.4 颅骨缺损后防粘连动物模型216-217
• 5.2.5 数据统计学分析217
• 5.3 结果与讨论217-230
• 5.3.1 静电纺丝PGH膜的形貌217-218
• 5.3.2 静电纺丝PGH膜的物理化学性能及热性能218-222
• 5.3.3 PGH纳米纤维膜的体外生物相容性222-223
• 5.3.4 PGH纳米纤维膜的细胞屏蔽性能223-225
• 5.3.5 PGH纳米纤维膜的体内生物相容性与降解性能225-228
• 5.3.6 PGH纳米纤维膜的颅腔内防粘连228-230
• 5.4 小结230-232
• 第六章 静电纺丝载药纳米管-微米纤维杂化结构用于持续药物释放232-256
• 6.1 引言232-233
• 6.2 实验部分233-237
• 6.2.1 埃洛石纳米管的表面改性233
• 6.2.2 改性后埃洛石纳米管的细胞毒性233-234
• 6.2.3 加入埃洛石纳米管静电纺丝纤维膜的制备234
• 6.2.4 静电纺丝复合纤维膜的性能表征234-235
• 6.2.5 复合纤维膜的体外生物相容性和屏蔽性能235
• 6.2.6 埃洛石纳米管载药及药物释放235-236
• 6.2.7 载药复合纤维膜的制备236
• 6.2.8 载药复合纤维膜的性能表征236-237
• 6.2.9 数据统计学分析237
• 6.3 结果与讨论237-255
• 6.3.1 埃洛石纳米管的表面改性238-239
• 6.3.2 改性后埃洛石纳米管的细胞毒性239-240
• 6.3.3 复合纤维膜的性能240-245
• 6.3.4 复合纤维膜的生物相容性和体外生物降解245-249
• 6.3.5 埃洛石纳米管载药及药物释放249
• 6.3.6 载药复合纤维膜的形貌及药物释放249-251
• 6.3.7 载药复合纤维膜的抑菌性能251-252
• 6.3.8 载药复合纤维膜的抑菌性能及体外生物相容性252-255
• 6.4 小结255-256
• 第七章 炎症响应型药物释放静电纺丝膜的制备及性能研究256-272
• 7.1 引言256-257
• 7.2 实验部分257-260
• 7.2.1 实验原料与试剂257
• 7.2.2 静电纺丝PCL纤维膜的制备257-258
• 7.2.3 PCL纺丝纤维膜表面接枝MNA258-259
• 7.2.4 改性纺丝纤维膜的改性结果表征259
• 7.2.5 改性后载药纺丝纤维膜的载药率与药物释放测试及体外生物相容性259-260
• 7.3 结果与讨论260-271
• 7.3.1 纺丝纤维膜表面聚多巴胺包覆260-262
• 7.3.2 纺丝纤维膜表面硅烷偶联剂改性262-266
• 7.3.3 甲硝唑的酯化反应266-267
• 7.3.4 酯化后的甲硝唑接枝到纤维膜267-269
• 7.3.5 药物接枝纤维膜的药物释放269-270
• 7.3.6 药物接枝纤维膜的细胞毒性270-271
• 7.4 小结271-272
• 第八章 结论272-274
• 参考文献274-286
• 致谢286-288
• 研究成果及发表的学术论文288-292
• 作者和导师简介292-294
• 附件294-295

  本文关键词：基于明胶的生物弹性体及生物医用膜材料的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：286505