基于Diels-Alder反应的多功能水凝胶的设计及其在软骨组织工程中的应用

发布时间：2017-03-23 19:03

  本文关键词：基于Diels-Alder反应的多功能水凝胶的设计及其在软骨组织工程中的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：关节软骨组织由于其特殊的生理结构,一旦损伤,几乎没有自我修复能力。同时,临床上的软骨治疗方法和技术存在局限性,并不能真正实现关节软骨组织的修复与再生。利用软骨组织工程的策略实现关节软骨修复是目前最主要的途径之一。其中,水凝胶支架由于其含水量高、与天然软骨组织的粘弹性特征相似、能够保持软骨细胞表型、可原位成型减少外科手术复杂性等多方面优势,已成为一种较为理想的软骨组织工程支架材料。新一代的软骨组织工程水凝胶材料应针对关节软骨修复过程所存在的突出问题,个性化的去设计并构建,使其具有智能性和功能性,能够有效的调控细胞行为和功能,积极参与损伤组织的修复过程,而不仅仅只为细胞提供三维支撑的作用。了解组织修复过程中细胞与其三维微环境中各种物理的(几何结构、网络密度,力学参数等)和生物化学的(生长因子,活性多肽、激素药物等)各种刺激因子之间的作用机制对新一代水凝胶支架材料的设计至关重要。基于此,本论文以解决传统水凝胶在软骨组织工程应用中存在的各种问题,设计并制备了一系列具有某些特殊功能的水凝胶体系。首先,为了解决传统水凝胶力学性能差的问题,本文通过Diels-Alder点击化学法制备了网络结构完善的透明质酸/聚乙二醇复合水凝胶。此水凝胶的力学性能精确可控,其中压缩模量在4k Pa-70k Pa内可调。同时水凝胶还具有优异的形变回复性,抗压疲劳特性,实验表明其可以承载两千次的循环力学加载过程。初步的细胞学实验证明此水凝胶具有良好的细胞相容性,但是其较长的凝胶化时间并不适合细胞原位包封。为了保证水凝胶力学性能的同时使其具有可注射性功能,本文结合Diels-Alder点击化学法和酶交联法,合成了双交联水凝胶体系。此水凝胶不仅能保持良好的抗压疲劳特性,且凝胶化时间短而可控(5min内即可成胶),是一种力学性能优异的可注射型水凝胶。细胞学实验结果表明,包封在此水凝胶里的ATDC-5细胞具有良好细胞活性,细胞快速增殖。同时通过基因表达水平的检测发现,此水凝胶能有效的促进ATDC-5细胞向软骨细胞的分化,使得II型胶原和糖胺聚糖的表达显著上调。考虑到关节软骨组织的自修复能力有限,设计具有自愈合性能的水凝胶作为软骨组织工程支架材料将有望弥补这个缺点。因此,本文结合Diels-Alder点击化学法和动态化学交联酰腙键,制备了一种可注射成型的自愈合水凝胶。该水凝胶与传统的自愈合水凝胶比,不仅力学性能有明显的提高,并且具有p H敏感性。环境p H值的改变如同开关可以打开或关闭水凝胶的部分网络结构,从而调控水凝胶的交联密度和网络结构。在生理条件下,切开后的水凝胶在动态酰腙键的推动下会慢慢愈合,最终变成完整水凝胶。最后,为了个性化的构建水凝胶空间生物化学微环境,实现在三维空间上对细胞行为和功能的精确调控,本文基于Diels-Alder点击化学反应,结合紫外光刻技术,实现了水凝胶的三维空间图案功能化修饰,即成功地将RGD多肽接枝到水凝胶三维特定区域。并且通过调节紫外光的强度和曝光时间可以控制引入分子的浓度和深度。总而言之,从水凝胶的结构、性能和功能上去模拟软骨细胞天然的细胞外基质微环境,有利于关节软骨组织的再生与重建,是解决关节软骨组织难修复这个世界难题的有效途径。
【关键词】：关节软骨 水凝胶 Diels-Alder点击化学 自愈合 图案化
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08;O648.17;R684
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 缩略词简表9-15
• 第一章 绪论15-44
• 1.1 引言15
• 1.2 关节软骨损伤和修复15-19
• 1.2.1 关节软骨的结构与功能15-17
• 1.2.2 关节软骨的损伤和治疗手段17-19
• 1.3 软骨组织工程支架材料的发展及应用19-23
• 1.3.1 固体多孔支架20-21
• 1.3.2 纤维编织网络支架21-22
• 1.3.3 水凝胶支架22-23
• 1.4 水凝胶支架的功能化23-37
• 1.4.1 关节软骨仿生水凝胶23-30
• 1.4.2 动态响应型水凝胶30-32
• 1.4.3 三维图案化水凝胶32-35
• 1.4.4 具有组织界面结合特性水凝胶35-37
• 1.5 外界力学刺激37-39
• 1.6 课题的研究目的意义内容与创新39-44
• 1.6.1 研究目的与意义39-40
• 1.6.2 研究内容40-41
• 1.6.3 研究技术路线41-42
• 1.6.4 研究创新点42-44
• 第二章 Diels-Alder点击化学法制备HA/PEG复合水凝胶44-70
• 2.1 引言44
• 2.2 表征设备与试剂44-45
• 2.2.1 表征设备44-45
• 2.2.2 试剂名称45
• 2.3 实验方法45-48
• 2.3.1 呋喃根修饰的透明质酸的制备45-46
• 2.3.2 透明质酸/聚乙二醇水凝胶的制备46
• 2.3.3 水凝胶的凝胶化时间46-47
• 2.3.4 水凝胶的形貌47
• 2.3.5 水凝胶的溶胀性能47
• 2.3.6 水凝胶的力学性能47
• 2.3.7 水凝胶的降解性能47
• 2.3.8 水凝胶的生物相容性47-48
• 2.3.9 ATDC-5 细胞在水凝胶中的三维培养48
• 2.4 实验结果及讨论48-68
• 2.4.1 呋喃根修饰后的透明质酸表征48-49
• 2.4.2 水凝胶的形成机理及凝胶化时间49-52
• 2.4.3 水凝胶的形貌特征52-53
• 2.4.4 水凝胶的溶胀性能53-54
• 2.4.5 水凝胶力学性能54-59
• 2.4.6 聚乙二醇分子量对水凝胶力学性能的影响59-65
• 2.4.7 水凝胶的降解性能65-66
• 2.4.8 水凝胶的细胞相容性66-68
• 2.5 本章小结68-70
• 第三章 Diels-Alder点击化学法结合酶交联法制备双交联HA/PEG可注射型水凝胶70-96
• 3.1 引言70
• 3.2 表征设备与试剂70-72
• 3.2.1 表征设备70-71
• 3.2.2 试剂名称71-72
• 3.3 实验方法72-75
• 3.3.1 呋喃根及酪胺修饰的透明质酸的制备（HA-furan-TA）72
• 3.3.2 透明质酸/聚乙二醇水凝胶的制备72-73
• 3.3.3 水凝胶的凝胶化时间73
• 3.3.5 水凝胶的溶胀性能73
• 3.3.6 水凝胶的力学性能73
• 3.3.7 水凝胶的生物相容性73
• 3.3.8 RT-PCR检测软骨特征基因表达水平73-75
• 3.3.9 酪氨酸氧化酶催化改性75
• 3.3.10改性后水凝胶与软骨组织的界面结合性能75
• 3.4 实验结果及讨论75-94
• 3.4.1 呋喃根修饰后的透明质酸表征75-77
• 3.4.2 水凝胶的形成机理及可注射性77-79
• 3.4.3 凝胶化时间79-81
• 3.4.4 水凝胶的溶胀性能81-82
• 3.4.5 水凝胶力学性能82-86
• 3.4.6 水凝胶的细胞相容性86-89
• 3.4.7 酪氨酸氧化酶的氧化改性89-91
• 3.4.8 DA交联水凝胶的界面结合特性91-94
• 3.5 本章小结94-96
• 第四章 基于Diels-Alder点击化学法设计并制备自愈合水凝胶96-116
• 4.1 引言96-97
• 4.2 表征设备与试剂97-98
• 4.2.1 表征设备97-98
• 4.2.2 试剂名称98
• 4.3 实验方法98-101
• 4.3.1 呋喃根和己二酰肼修饰的透明质酸的制备（HA-furan-ADH）98-99
• 4.3.2 HA-furan在高碘酸钠下的氧化反应（HA-furan-CHO）99
• 4.3.3 可逆酰腙键单交联水凝胶(SN)和双交联水凝胶(DN)的制备99
• 4.3.4 SN和DN水凝胶的凝胶化时间99
• 4.3.5 SN和DN水凝胶的溶胀性能99-100
• 4.3.6 SN和DN水凝胶的p H敏感性100
• 4.3.7 SN和DN水凝胶的自愈合特性100
• 4.3.8 SN和DN水凝胶的力学性能100
• 4.3.9 ATDC-5 细胞在DN水凝胶中的三维培养100-101
• 4.4 实验结果及讨论101-114
• 4.4.1 修饰后的透明质酸的表征101-104
• 4.4.2 水凝胶的形成机理及凝胶化时间104-105
• 4.4.3 SN和DN水凝胶在去离子水中的溶胀特征105-106
• 4.4.4 SN和DN水凝胶在酸性溶液中的溶胀特性106-108
• 4.4.5 SN和DN水凝胶的自愈合特性108-109
• 4.4.6 SN和DN水凝胶的力学性能109-110
• 4.4.7 DN水凝胶的p H敏感性110-113
• 4.4.8 水凝胶的细胞相容性113-114
• 4.5 总结114-116
• 第五章 Diels-Alder点击化学法交联水凝胶的三维空间图案化116-132
• 5.1 引言116-118
• 5.2 表征设备与试剂118-119
• 5.2.1 表征设备118
• 5.2.2 试剂名称118-119
• 5.3 实验方法119-121
• 5.3.1 DA反应产物与巯基之间的紫外光引发反应验证119-120
• 5.3.2 核磁表征(N-NMR)120
• 5.3.3 DA交联的透明质酸/聚乙二醇水凝胶的制备120
• 5.3.4 3-巯基丙酸在水凝胶内的图案化修饰120
• 5.3.5 FITC-标记的CRGD多肽在水凝胶中的图案化修饰120
• 5.3.6 水凝胶图案化表征方法120-121
• 5.3.7 曝光时间对图案化深度以及荧光强度的影响121
• 5.4 实验结果及讨论121-130
• 5.4.1 DA反应产物与巯基的反应验证121-124
• 5.4.2 3-巯基丙酸在水凝胶中的图案化124-127
• 5.4.3 FITC-标记的CRGD多肽在水凝胶中的图案化修饰127-130
• 5.5 本章总结130-132
• 结论132-134
• 参考文献134-144
• 攻读博士期间取得的研究成果144-145
• 致谢145-147
• 附件147

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 祁恒治;赵蕴慧;朱孔营;袁晓燕;;自修复聚合物材料的研究进展[J];化学进展;2011年12期

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本文编号：264364