硫酸软骨素基可注射水凝胶的制备及其作为骨修复支架的研究

发布时间：2017-12-30 12:38

  本文关键词：硫酸软骨素基可注射水凝胶的制备及其作为骨修复支架的研究　出处：《兰州大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：近年来,以可注射水凝胶作为骨组织工程支架用于骨修复已成为组织再生医学研究的热点。作为生物医用载体材料的可注射水凝胶具有诸多优势,如其具有仿生细胞外基质(ECM)的结构、可以通过微创注射的方式使用、水凝胶前驱体溶液可以填充于不规则的组织缺损等。然而,在骨修复研究中,可注射水凝胶的凝胶化时间不易控制、其机械强度不足、吸水能力有限、具有一定毒性等问题亟待解决。针对上述问题,本学位论文选择天然多糖硫酸软骨素(ChS)作为制备可注射水凝胶的材料之一,通过Diels-Alder(DA)点击共价键交联与其他非共价键交联或动态共价键交联制备了一系列双重及三重交联可注射水凝胶。通过核磁共振波谱仪(NMR)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对聚合物的结构进行了表征,通过倒置法和流变仪测定了可注射水凝胶的凝胶化时间,通过扫描电子显微镜(SEM)观察了可注射水凝胶的内部形貌,通过称重法测定了可注射水凝胶的吸水能力,通过动态热-机械分析仪(DMA)测定了可注射水凝胶的机械性能,通过四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色(MTT)法测定了可注射水凝胶的体外细胞毒性,通过体外和体内降解实验考察了可注射水凝胶的降解行为,最后通过建立动物骨缺损模型,考察了可注射水凝胶作为骨组织工程支架的可行性。具体研究内容及结果如下:1.通过主客体识别合成了温敏型树枝状超分子聚合物聚酰胺-胺(PAMAM)@聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)[PAMAM@PNIPAM],通过EDC及DCC缩合分别合成了大分子硫酸软骨素基双烯体(ChS-F)和聚乙二醇基亲双烯体交联剂(PEG-AMI),以三种所合成的聚合物制备了非共价键和DA点击共价键双重交联可注射水凝胶。重点考察了两种交联方式对可注射水凝胶的凝胶化时间、机械强度和降解性能的影响。通过SEM观察了可注射水凝胶的内部形貌。通过MTT法测定了可注射水凝胶的体外细胞毒性。通过建立小鼠胫骨缺损模型,将水凝胶植入到缺损部位,使用小动物活体成像系统和病理组织切片的方法考察了双重交联可注射水凝胶对于骨修复的作用。研究结果表明,PAMAM@PNIPAM可以发生溶液-凝胶相转变形成非共价键交联,ChS-F与PEG-AMI之间可以发生DA点击反应形成共价键交联,二者协同作用使可注射水凝胶同时具有较高的含水量(98%)和强度(25 MPa),并且可以在不负载细胞与生长因子的情况下具有一定的骨修复性能。2.采用另外一种具有温度敏感性的聚合物普朗尼克F127合成了亲双烯体交联剂(F127-AMI),与硫酸软骨素基双烯体通过体外DA点击反应合成了温敏型共聚物F127@ChS。通过倒置法、流变仪和差示扫描量热仪(DSC)考察了F127@ChS的温敏行为。通过透射电子显微镜(TEM)观察了F127@ChS的形貌。将F127@ChS与交联剂PEG-AMI反应,制备了双重交联可注射水凝胶F127@ChS-PEG。研究了PEG-AMI交联剂的加入量对于所制备的可注射水凝胶的吸水性能、内部结构和机械强度的影响。通过SEM观察了可注射水凝胶的内部形貌。通过MTT法测定了可注射水凝胶的体外细胞毒性。建立大鼠颅骨缺损模型,选择骨形态发生蛋白(BMP-4)为骨修复因子载入可注射水凝胶中并植入到颅骨缺损部位,通过小动物活体成像仪和制备病理组织切片考察了载有BMP-4的可注射水凝胶在骨再生中的作用。研究结果表明,F127@ChS的凝胶化浓度远低于F127,可以发生溶液-凝胶相转变形成非共价键交联,与PEG-AMI发生DA点击反应形成共价键交联,二者协同作用形成双重交联可注射水凝胶,该可注射水凝胶可以负载BMP-4用于骨修复。3.在第二章工作的基础上,制备了基于F127@ChS-F127的双重交联可注射水凝胶。通过SEM观察了可注射水凝胶的内部形貌。通过称重法考察了可注射水凝胶的吸水性能。通过流变仪研究了F127-AMI的加入对于可注射水凝胶的流变学性能的影响。通过MTT法测定了可注射水凝胶的体外细胞毒性。建立大鼠颅骨缺损模型,选择BMP-4为骨修复因子载入可注射水凝胶中并植入到颅骨缺损部位,通过小动物活体成像仪和制备病理组织切片考察了载有BMP-4的可注射水凝胶在骨再生中的作用。研究结果表明,与第二章工作所制备的F127@ChSPEG可注射水凝胶相比,F127@ChS-F127可注射水凝胶的机械强度更高,对于骨缺损的修复效果更好。4.在第二、三章工作的基础上,在F127@ChS上修饰了酰肼基团,合成了F127@ChS/furan/ADH。通过高碘酸钠氧化合成了含有醛基的硫酸软骨素(OChS)。使用双管注射器制备了基于非共价键交联、DA点击共价键交联和酰腙键交联的可注射水凝胶F127@ChS-PEG-OChS。重点考察了不同的交联方式对于可注射水凝胶的物理化学性能的影响,如机械强度、吸水能力、自修复性能及流变学性质等。通过体外及体内降解实验考察了可注射水凝胶的降解行为。通过MTT法测定了可注射水凝胶的体外细胞毒性。建立大鼠颅骨缺损模型,选择BMP-4为骨修复因子载入可注射水凝胶中并植入到颅骨缺损部位,通过小动物活体成像仪和制备病理组织切片考察了载有BMP-4的可注射水凝胶在骨再生中的作用。研究结果表明,可注射水凝胶的物理化学性能可以通过调整其交联方式进行控制,酰腙键的引入给予了水凝胶自修复的功能,该可注射水凝可以负载BMP-4用于骨修复。5.在上述工作的基础上,选择了另一种天然多糖海藻酸钠(SA)分别合成了含有酰肼和醛基的聚合物(SA-ADH与OSA)。使用双管注射器制备了基于非共价键交联、DA点击共价键交联和酰腙键交联的可注射水凝胶。重点考察了引入酰腙键交联的SA对可注射水凝胶的吸水性能、机械强度和降解行为的影响。通过SEM观察了可注射水凝胶的内部形貌。通过宏观观察法考察了可注射水凝胶的自修复性能。通过MTT法测定了可注射水凝胶的体外细胞毒性。建立大鼠颅骨缺损模型,选择可降解的无机材料生物玻璃(BG)为骨修复材料载入可注射水凝胶中并植入到颅骨缺损部位,通过小动物活体成像仪和制备病理组织切片考察了载有BG的可注射水凝胶在骨再生中的作用。研究结果表明,引入酰腙键交联的SA降低了水凝胶的吸水能力,但是增大了其机械强度并延长了降解时间,可注射水凝胶可以负载BG用于骨修复。
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【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R318.08;R68
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本文编号：1354986