具有形状记忆效应的多功能骨组织工程支架的构建研究

发布时间：2017-10-22 22:25

  本文关键词：具有形状记忆效应的多功能骨组织工程支架的构建研究

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【摘要】：可生物降解的形状记忆聚合物(SMPs)是一类新型功能高分子材料。将这类材料应用于骨组织修复时,除了可以实现微创植入和生物降解,还能在应用中持续施加生物力学刺激,提高对骨缺损的修复和再生功效。近年来,电纺丝(Electrospinning)被广泛用于制备具有高比表面积和孔隙率的纳米纤维支架,与传统的其他形式的组织工程支架相比,电纺纳米纤维支架具有高度仿生天然细胞外基质(ECM)的结构和可为细胞提供理想的生存微环境的优点。然而,目前关于利用SMPs结合电纺丝技术制备具有纳米纤维结构的支架并研究其对成骨细胞生长行为研究的报道还很少,对仿生纳米纤维的形状回复效应及用于骨缺损(如骨钉孔)修复时的功效的认识也还十分有限。 本文首先利用一种新型的形状记忆高分子聚乳酸-聚三甲基碳酸酯(PDLLA-TMC,简写成PLMC),通过电纺丝技术制备具有纳米纤维结构的SMP电纺膜,并评估该多功能纤维支架的成骨能力。研究取得了如下结果：PLMC电纺膜拥有良好的纤维形貌,随着PLMC中的DLLA:TMC比例(从5：5,7：3,8：2到9：1)的升高,纤维直径从1500nm下降为700nm,而玻璃化转变温度即该SMP电纺膜的形状回复温度从19.2℃升高到44.2℃,温度变化范围很适合应用于人体内部。形状记忆测试表明,PLMC电纺膜拥有较好的形状记忆效应,其形状固定率和形状回复率分别超过94%和98%。形状记忆效果演示显示,基于PLMC纳米纤维的2-D和3-D结构均表现了很快的形状回复速率(在39℃完全回复仅需要大约10s)。成骨细胞在该SMP电纺膜上的增殖良好,同时这种具有形状记忆效应的PLMC纳米纤维支架能较好地促进成骨细胞的碱性磷酸酶(ALP)表达和矿化。 基于上面的研究结果,本研究接着在PLMC纳米纤维中引入具有卓越生物相容性和骨传导性的羟基磷灰石(HAp),制备PLMC/HAp复合纳米纤维支架,评估HAp的引入对PLMC形状记忆效应及成骨性能的影响。研究取得了如下结果：在低含量时,HAp能较好地在PLMC纳米纤维中分散,但当HAp和PLMC的质量比超过2：8时,会出现HAp纳米颗粒的团聚。HAp的引入能够一定程度上提高PLMC纳米纤维的热稳定性和力学强度,通过调节HAp的含量,可以使玻璃化转变温度在45.7-51.5℃的范围内波动,而最大断裂强度增加5倍左右。值得注意的是,引入HAp也能使PLMC纳米纤维的形状回复力增加,这对于形状记忆材料应用于人体内部时施加力学刺激具有重要意义。细胞实验表明,HAp的引入能够促进成骨细胞在PLMC纳米纤维膜上的增殖,并且促进成骨细胞的碱性磷酸酶(ALP)表达和成骨矿化,显示出用于体内骨缺损修复的潜力。 最后,针对现在普遍利用热刺激来激发SMPs的形状记忆效应的不足,本研究初步探索了采用超声作为一种远程控制手段,来实现在利用超声使载药支架进行形状回复的同时,也具有随意(On-demand)控制释放药物的可行性。为此,我们利用水包油包水双乳化法(Double emulsion)制备出载有模式药物溶菌酶(Lyz)的经壳聚糖(CTS)修饰的聚乳酸-乙醇酸(PLGA)微球,并利用低温微球焙烧方法制备出直径为5mm的圆柱形3-D支架。然后利用高强度聚焦超声协同控制这种3-D支架的形状回复和药物释放效应。研究取得如下结果：通过在PLGA微球表面修饰不同含量的CTS,可以使微球的相转变温度Ttrans在45到50℃之间调节,同时也能一定程度上影响这种3-D支架的形状回复率。形状记忆和药物释放测试证明了超声能够控制形状回复过程,并且同时控制Lyz从支架中释放,实现脉冲给药模式。另外,通过调节超声的强度和时间可以调节药物释放和形状回复速率。对这种基于微球的3-D支架在超声前后的压缩力学测试表明,支架的压缩性能和松质骨相当。降解试验表明CTS的引入能够有效地中和PLGA降解后的酸性产物。本部分工作为今后开展载药的仿生复合纳米纤维PLMC/HAp用于超声介导的骨缺损(如骨钉孔)修复工作奠定了基础。
【关键词】：形状记忆聚合物 电纺丝 药物控释 超声响应 骨组织工程 聚乳酸-聚三甲基碳酸酯
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-37
• 1.1 问题的提出及研究意义12-13
• 1.2 骨组织工程与支架仿生13-21
• 1.2.1 骨组织工程与天然骨组织结构13-14
• 1.2.2 骨组织工程支架的要求14-16
• 1.2.3 纳米材料促进骨组织生长的机制16-17
• 1.2.4 骨组织工程主要支架制备方法17-21
• 1.3 形状记忆高分子材料21-26
• 1.3.1 研究历史及发展21
• 1.3.2 形状记忆高分子材料的分类21-22
• 1.3.3 形状记忆高分子材料在生物医学领域的应用22-24
• 1.3.4 具有纳微米结构的形状记忆高分子材料研究进展24-26
• 1.4 超声可控释药体系26-34
• 1.4.1 超声介导的药物释放机理28
• 1.4.2 超声介导的药物载体研究现状28-31
• 1.4.3 超声介导的药物释放应用31-34
• 1.5 本课题的研究内容及创新性34-37
• 1.5.1 本课题研究内容34-36
• 1.5.2 本课题创新性36-37
• 第二章 形状记忆电纺PLMC纤维膜的制备及成骨性能评价37-59
• 2.1 引言37-38
• 2.2 实验部分及材料表征38-44
• 2.2.1 实验材料与试剂38-39
• 2.2.2 PLMC纳米纤维的制备39
• 2.2.3 PLMC纳米纤维的表征39-40
• 2.2.4 PLMC纳米纤维的形状记忆测试40-41
• 2.2.5 原代成骨细胞的分离41-42
• 2.2.6 PLMC纳米纤维的体外细胞毒性评价42-43
• 2.2.7 PLMC纳米纤维的体外成骨性能评价43-44
• 2.2.8 PLMC纳米纤维的血液相容性评价44
• 2.2.9 统计学分析44
• 2.3 结果与讨论44-57
• 2.3.1 PLMC纳米纤维的制备和表征44-47
• 2.3.2 PLMC纳米纤维形状记忆效应表征47-51
• 2.3.3 PLMC纳米纤维对成骨细胞增殖能力的影响51-53
• 2.3.4 PLMC纳米纤维对成骨细胞功能化表达的影响53-55
• 2.3.5 PLMC纳米纤维对成骨细胞矿化的影响55-56
• 2.3.6 PLMC纳米纤维的血液相容性评价56-57
• 2.4 本章小结57-59
• 第三章 含羟基磷灰石的PLMC纳米纤维膜的形状记忆效应及成骨性能研究59-76
• 3.1 引言59-60
• 3.2 实验部分及材料表征60-63
• 3.2.1 实验材料和试剂60
• 3.2.2 PLMC/HAp纳米纤维的制备60-61
• 3.2.3 PLMC/HAp纳米纤维的表征61
• 3.2.4 PLMC/HAp纳米纤维的形状记忆测试61-62
• 3.2.5 PLMC/HAp纳米纤维的体外细胞毒性评价62
• 3.2.6 PLMC/HAp纳米纤维的体外成骨性能评价62-63
• 3.3 结果与讨论63-74
• 3.3.1 PLMC/HAp纳米纤维的制备及表征63-67
• 3.3.2 HAp对PLMC纳米纤维形状记忆效应的影响67-70
• 3.3.3 PLMC/HAp纳米纤维对成骨细胞增殖能力的影响70-72
• 3.3.4 PLMC/HAp纳米纤维对成骨细胞功能化表达的影响72-73
• 3.3.5 PLMC/HAp纳米纤维对成骨细胞矿化的影响73-74
• 3.4 本章小结74-76
• 第四章 超声协同控制形状记忆和药物释放的探索性研究76-91
• 4.1 引言76-77
• 4.2 实验部分及材料表征77-80
• 4.2.1 实验材料与试剂77
• 4.2.2 载溶菌酶的PLGA/CTS微球的制备77-78
• 4.2.3 载溶菌酶的PLGA/CTS微球的表征78-79
• 4.2.4 基于载溶菌酶PLGA/CTS微球的3-D支架的制备79
• 4.2.5 超声协同控制3-D支架的药物释放和形状记忆的研究79-80
• 4.2.6 微球支架超声前后抗压力学性能测试80
• 4.2.7 微球支架的体外降解性能测试80
• 4.3 结果与讨论80-90
• 4.3.1 载溶菌酶的PLGA/CTS微球及3-D微球支架的制备和表征80-84
• 4.3.2 超声协同控制3-D支架的药物释放和形状记忆的研究84-88
• 4.3.3 3-D微球支架的力学和降解性能的研究88-90
• 4.4 本章小结90-91
• 第五章 结论与展望91-93
• 5.1 本文的主要结论91-92
• 5.2 展望92-93
• 参考文献93-101
• 攻读硕士期间发表论文、申请专利及获奖情况101-105
• 致谢105

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 唐洪涛;仝允辉;杨茹萍;朱太永;张美超;赵卫东;;股骨颈骨折愈合后钉道植骨的生物力学意义[J];中国骨与关节损伤杂志;2011年04期

2 戴亚妮;李平;王爱勤;;智能高分子材料在智能给药系统中的应用[J];化学进展;2007年Z1期

3 邵景范,MR Sarkar,LE Claes,L Kinzl,罗永湘;可吸收陶瓷改善椎弓根螺钉稳定性的体外生物力学试验[J];中华骨科杂志;2001年10期

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本文编号：1080386