胶原模拟多肽-PEG杂化水凝胶的构建及生物医学应用研究

发布时间：2017-11-24 08:24

  本文关键词：胶原模拟多肽-PEG杂化水凝胶的构建及生物医学应用研究

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【摘要】：胶原是生物医学材料领域最常见的天然高分子之一,在组织再生修复、药物递送方面有着极为广泛的应用。胶原基生物材料生物相容性好、生物活性高,并且能够生物降解,然而天然胶原也存在质量可控性差、难以进行可控修饰以及具有潜在免疫原性等缺陷,因而有必要发展具有生物活性的人工类胶原生物材料。胶原模拟多肽(CMPs)是一种人工合成的胶原模型分子,被用于胶原特征结构的形成机制和性能研究、胶原相关的疾病研究以及发展胶原替代材料。本文以胶原模拟多肽和多臂PEG-MAL为原料制备了一类成分明确,结构可控的胶原模拟多肽-PEG杂化水凝胶,并以此作为胶原基水凝胶的替代材料研究了胶原模拟多肽-PEG杂化水凝胶在细胞3D培养、生物矿化、蛋白药物局部递送方面的应用。利用巯基和马来酰亚胺反应将带有半胱氨酸的胶原模拟多肽偶联至多臂(4/8)PEG-MAL末端,胶原模拟多肽在自组装形成三螺旋构象过程中可以形成高分子间的物理交联,从而得到三维的聚合物网络结构。此制备方法室温即可完成,有利于保持生物大分子和被包载细胞的活性。流变学研究表明,水凝胶的机械强度可以通过前体浓度、PEG臂数调节。本研究将胶原模拟多肽-PEG杂化水凝胶固定于Millicell细胞培养小室,用于骨髓间充质干细胞(BMSCs)的3D培养。LIVE/DEAD染色显示,细胞包被后活力保持良好。实验考察了3D培养环境以及IGF-1、BMP3对BMSCs基因表达(COL1A2、COL2A1、BMP2、MMP13)的影响。本研究条件下,IGF-1、BMP3对BMSCs基因表达的调控并不明显；另一方面,3D培养可以下调COL1A2表达,这表明3D培养可能具有抑制BMSCs在软骨分化过程中产生肥大表型的作用。本研究还证明含GEK序列的胶原模拟多肽可以通过赖氨酸残基的氧化作用产生交联,此过程亦见于胶原的生物合成。骨组织是羟基磷灰石(HA)在类似胶原的水凝胶基质上通过生物矿化形成的,因而水凝胶是体外矿化研究的理想模型。本研究构建了一个双扩散装置研究磷酸钙不同物相在胶原模拟多肽-PEG杂化水凝胶中的矿化。在模拟生理pH条件下,矿化1天时的产物既有二水磷酸二钙(DCPD),又有HA；矿化3天以上产物只有HA；以上结果说明实验中得到的HA是通过DCPD前体经由相转化过程形成的。需要说明的是,实验所得HA晶体呈现典型的介晶(mesocrystal)特征,是一种新型的功能材料。矿化pH为6.0、7.0、7.4、8.0时,矿化产物分别为DCPD、DCPD+HA、HA和HA。据文献报道,肾结石病人的尿液pH常常因用药或感染而呈波动状态,而DCPD、HA则是磷酸钙结石的主要成分,本研究所构建的水凝胶可望作为生物矿化的模型用于研究肾结石的病理发生机制。本研究将胶原模拟多肽-PEG杂化水凝胶作为药物载体用于蛋白药物的局部递送系统。通过葡聚糖蓝释放实验,流变学检测和冷冻扫描电镜观察,比较了PBS体系制备的水凝胶与纯水体系制备的水凝胶在稳定性、溶蚀行为方面的差异,前者凝胶化速度太快,因而存在异质性,稳定性、溶蚀行为等性能劣于纯水体系制备的水凝胶。以肌红蛋白作为模型药物研究胶原模拟多肽-PEG杂化水凝胶的蛋白释放行为,并用Ritger-Peppas方程拟合释放曲线,结果显示：肌红蛋白通过Fickian扩散和表面溶蚀两种机制进入释放介质。本研究还发现牛血清白蛋白(BSA)与水凝胶网络可能存在相互作用,进而丰富了水凝胶的蛋白释放行为。综上所述,本文构建的胶原模拟多肽-PEG杂化水凝胶可望作为胶原基水凝胶的替代材料用于细胞3D培养、生物矿化、蛋白药物局部递送等生物医学领域。
【学位授予单位】：北京协和医学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08
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本文编号：1221627