用于骨缺损修复的有序介孔材料的制备、改性及性能研究

发布时间：2017-10-24 20:33

  本文关键词：用于骨缺损修复的有序介孔材料的制备、改性及性能研究

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【摘要】：当前,我国社会经济正处于一个飞速发展的时期,建筑业、重工业的从业者日益增多,摩托车、汽车等机动交通工具的普及率逐年增高,由此引发的坠落伤、压砸伤、车祸伤、机械伤等高能量性损伤亦层出不穷。这一类损伤经常并发较为严重的粉碎性开放性骨折,局部骨缺损情况严重,骨修复材料市场需求巨大。适用于大段骨缺损修复的材料必须具有特定的孔隙结构、机械强度、生物活性、可降解性、抗感染性以及可控的药物负载能力。现今的骨修复材料多存在生物活性不足、修复速率慢、修复效果不佳、无法抵御外界细菌感染等普遍性问题。遗憾的是,现今几乎没有人工合成的支架材料能够同时满足上述特性。本研究从研发新型骨修复材料、改进大段骨缺损修复效果这一研究目的出发,针对骨修复过程中面临的感染高发与修复迟滞这两大关键性难题,以有序介孔材料为基体,从材料组成改性、结构优化、生物活性因子装载等多个角度入手,构建新型的自身具备抗感染特性与促骨修复活性的骨移植材料,并从细胞生物学、组织学、影像学等方面系统评价所研发材料的生物相容性、抗菌特性、成骨活性以及大段骨缺损动物模型的实际修复效果,探究材料组成、结构、生长因子与成骨效果之间的相互作用规律。基于上述思路,我们开展了以下研究工作:介孔生物活性玻璃(MBG)支架因其有序规整排列的三维介孔孔道结构成为生物材料研究的热点,但是MBG的力学性能较差且本身无抗感染活性。针对此问题,我们以MBG为基体,通过壳聚糖季铵盐衍生物(HACC-)、玉米醇溶蛋白(Zein-)、蚕丝蛋白(silk)以及O-丙烯酰胺基甲基-HACC(NMA-HACC)这几种风格各异的功能基团对之进行改性修饰,制备了HACC改性的MBG支架(MBG-HACC)、HACC与Zein共同改性的MBG支架(MBG-HACC-Zein)、HACC与silk共同改性的MBG支架(MBG-HS)以及NMA-HACC-silk改性的MBG支架(MBG-NHS)这几种全新的复合支架材料。接着,采用TGA、XRD、FT-IR、SEM等检测技术验证所制备的复合支架是否已被相应功能基团成功修饰。然后,以莫斯特朗电子拉力机检测并比较几种支架的机械性能的优劣;以同步辐射显微断层成像技术重点剖析改性后支架的内部结构;特定方法染色后激光共聚焦扫描显微镜及MTT法,从定性与定量两方面比较了几种不同支架抗菌性能的-2-优劣;从细胞生存率与细胞增殖量等方面评价了几种不同支架的生物相容性的差异。结果证明,所制备的mbg-hacc-zein与mbg-nhs支架均具备优良的互通孔道结构、长效的抗菌性能、卓越的生物相容性、突出的生物活性,机械性能较mbg基体支架得到明显提升,而且不仅具有长效的预防局部感染的作用,同时生物相容性及生物活性良好。为了更好地解决生物活性蛋白因子负载于支架材料后存在的爆发性释放问题,我们选择有机大分子材料玉米醇溶蛋白(zein)作为基体,将目标活性蛋白因子rhbmp-2负载于有序介孔二氧化硅材料sba-15纳米粒子上后,再与基体支架材料zein相复合,以期延长rhbmp-2在骨缺损局部的作用时间,从而解决生物活性因子负载于传统支架时存在的爆发性释放问题;同时将hacc用于该复合支架的改性,以赋予支架本身显著的抗感染活性。我们先制备了一系列含有不同hacc质量百分比梯度的zein-hacc复合支架,通过抗菌实验以及对大鼠骨髓来源的间充质干细胞增殖影响的mtt实验,找寻既能使复合支架具有显著的抗菌活性,又能保持较好细胞相容性的平衡点,以确定复合支架中最优hacc质量百分比用于后续研究;同时,测定不同质量百分率的sba-15/hacc/zein复合支架的孔隙率、力学性能,确定后续研究中复合支架的sba-15质量百分比,并借助扫描电镜观察各复合支架的表面形貌,绘制各复合支架负载的rhbmp-2体外释放曲线,评价其缓释效果。研究发现,zein-hacc复合支架中最优hacc质量百分比为10wt%,这样既能对实验菌株保持良好的抗菌活性,又能对所种植细胞保持良好的细胞相容性;sba-15/hacc/zein复合支架sba-15含量应低于30wt%,这样既能保持良好的孔隙率,又能确保相当的机械抗压强度;sba-15组分的存在可有效改善sba-15/hacc/zein复合支架中携带的活性生物因子rhbmp-2的释放曲线,在目标区域局部实现长期稳定释放的效果,而且sba-15组分含量越高,复合支架的rhbmp-2缓释效果越好。在前面研究的基础上,我们进而将负载有rhbmp-2且含有不同sba-15质量百分比的各复合支架分别置于模拟体液中持续浸泡一段时间后,行sem观测及eds分析,评价各组支架材料体外生物活性的优劣;将人骨髓来源间充质干细胞种植于负载有rhbmp-2且含有不同sba-15质量百分比的各复合支架上,考察细胞的黏附、增殖及铺展情况,细胞碱性磷酸酶活性及细胞外基质矿化情况,综合评价各组支架材料的生物相容性与促成骨分化能力的优劣;将不同类型的细菌菌株分别定植于负载有rhBMP-2且含有不同SBA-15质量百分比的各复合支架上,通过各组复合支架材料对细菌黏附及生物膜形成的影响情况,评价各组支架材料的抗菌性能的优劣;将负载有rh BMP-2的支架材料Zein、Zein-HACC、Zein-S20、Zein-HACC-S20分别进行大体动物体内肌袋包埋及桡骨骨缺损模型修复,通过异位成骨效果、micro-CT及成骨量与骨密度分析、组织学考察等指标,评价各组支架材料促进骨组织再生以实现骨缺损修复的效能。研究发现,负载有rhBMP-2的SBA-15/HACC/Zein复合型支架材料具有良好的体外生物活性、生物相容性、促成骨分化特性及抗菌活性,尤其是负载有rhBMP-2的Zein-HACC-S20支架具有有效促进骨缺损局部新骨生成、显著加快骨缺损修复进程的效果,适合于作为一种新型的骨缺损修复材料。
【关键词】：骨修复 抗菌 介孔材料 复合材料 骨形态发生蛋白
【学位授予单位】：第二军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-13
• 缩写对照表13-15
• 前言15-18
• 第1章 壳聚糖四季铵盐衍生物与玉米醇溶蛋白改性介孔生物玻璃支架的研究18-45
• 1.1 引言18-20
• 1.2 材料与方法20-29
• 1.3 结果与讨论29-43
• 1.4 结论43-45
• 第2章 壳聚糖四季铵盐衍生物与蚕丝蛋白改性介孔生物玻璃支架的研究45-70
• 2.1 引言45-46
• 2.2 材料与方法46-56
• 2.3 结果与讨论56-68
• 2.4 结论68-70
• 第3章 负载rhBMP-2 的介孔二氧化硅-HACC-玉米醇溶蛋白复合支架的 制备与表征70-87
• 3.1 引言70-71
• 3.2 材料与方法71-79
• 3.3 结果与讨论79-85
• 3.4 结论85-87
• 第4章 负载rhBMP-2 的介孔二氧化硅-HACC-玉米醇溶蛋白复合支架的成骨活性及体内骨缺损修复能力的研究87-116
• 4.1 引言87-88
• 4.2 材料与方法88-98
• 4.3 结果与讨论98-114
• 4.4 结论114-116
• 综述116-126
• 参考文献126-136
• 在读期间发表论文和参加科研工作情况136-139
• 致谢139

【共引文献】

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本文编号：1090439