可降解聚酯多孔支架的羟基磷灰石修饰、体外研究和体内骨缺损修复

发布时间：2018-04-16 03:04

本文选题：组织工程 + 再生医学　；参考：《复旦大学》2014年博士论文

【摘要】：修复大尺寸的组织缺损一直是富有挑战的难题,组织工程的发展为其提供了新的思路。可降解聚酯材料具有良好的生物相容性、易加工性以及可调控降解性能等优点,因此常被选作组织工程多孔支架的基体材料,相关研究对于促进组织工程材料早日大规模临床应用十分重要。尽管这类材料已经被多次报道,仍然有一些重要而基础的问题没有被专门予以研究。例如：许多人都在提及聚酯降解产物导致的副作用,但是却鲜见专门的研究探讨这个副作用到底有多强、其决定性因素是化学物质还是pH。又例如：羟基磷灰石在天然骨中大量存在,依照仿生学思路的启发,人们自然设想,可将钙磷无机生物材料与聚酯进行复合用于修复长干骨缺损；但是,这种复合除了使用共混的方式以外,也可将羟基磷灰石以表面涂层的方式引入聚酯多孔支架的孔表面,这样不仅可保留可降解聚酯多孔支架优异的加工性能、降解性能和力学性能,而且有望使得其孔壁的化学组成利于骨组织修复。如果原则上可行,又如何快速有效地实现高分子多孔支架内表面的无机生物材料修饰,所得的复合支架效果是否得到改善?这个工作还自然引申出一个更加基础的问题,即,羟基磷灰石等无机材料与骨髓基质干细胞等重要的种子细胞之间的相互作用。其中图案化技术是用于研究细胞与材料间相互作用的有力工具,近年来聚合物材料、金属材料的图案化技术有了长足的发展,但是无机材料的图案化技术在方法学上却有待突破。有鉴于此,本博士学位论文拟专门探讨聚酯降解产物的体外细胞毒性、发展聚酯多孔支架的制备和孔表面无机材料修饰的技术、并研究细胞与材料间的相互作用,工作涉及了生物医用材料研发中从基础研究到临床应用中不同维度的科学技术问题。本文的主要创新性工作包括：(1)研究了聚酯多孔支架降解产物对骨髓基质干细胞体外活力和成骨分化的影响。研究聚酯多孔支架24周体外降解行为,并考察不同时间点的降解产物对骨髓基质干细胞活力和分化的影响,结果表明聚酯多孔支架的降解遵循本体降解规律,其24周降解时间内的降解产物不产生显著的细胞毒性。通过直接将乳酸等物质加入细胞培养液中,考察乳酸对骨髓基质干细胞活力和分化的影响,结果确认pH是高浓度乳酸引起细胞毒性的主要原因,D,L-乳酸较之L-乳酸有稍强的细胞毒性,大鼠骨髓基质干细胞对两种乳酸的耐受临界浓度均为20 mmol/L左右。可以认为,植入在有充分体液交换的位置时,不必过多地担忧聚酯多孔支架降解产物对周围细胞和组织的不利影响。(2)发展了一种在聚酯多孔支架孔表面快速修饰沉积纳米羟基磷灰石涂层的方法,并通过动物实验的合作研究考察了其体内长干骨缺损的修复效果。提出一种简便易行的方法,主要步骤包括对聚酯多孔支架进行等离子体处理以及在改进模拟体液中的浸泡,该方法可以快速地(9小时)在聚酯多孔支架的孔表面修饰沉积均匀的纳米羟基磷灰石涂层,较之传统的方法(至少1周)大大地节省了时间并保证了材料性能的稳定性。通过体外细胞实验评价了该改进所得的无机/聚酯复合体系多孔支架的生物相容性,结果确证聚酯多孔支架和无机/聚酯复合体系多孔支架均具有良好的生物相容性,其中后者能更好地促进成骨细胞和骨髓基质干细胞的生长。通过合作研究,在新西兰兔桡骨骨段建立15mm的临界缺损,将接种有兔自体骨髓基质干细胞的多孔支架植入缺损处并考察其修复效果。影像学和组织学结果表明,在植入无机/聚酯复合体系多孔支架实验组的实验动物中,12周后在桡骨缺损处形成了连续的皮质骨并基本实现髓腔再通,证明了无机/聚酯复合体系多孔支架能够促进骨缺损的修复；另外,聚酯多孔支架和无机/聚酯复合体系多孔支架在长期的体内实验中,均未发现不良的组织相容性或无菌性炎症的情况,也证实了不必担忧聚酯多孔支架降解产物的细胞毒性。(3)综合数种技术手段首次提出了制备具有细胞黏附反差的羟基磷灰石微图案阵列的方法。综合光刻技术、表面改性引进表面电荷以及改进模拟体液沉积的方法,得到了规整的羟基磷灰石微图案阵列。对所得羟基磷灰石微图案阵列背景进行钝化处理后,实现了细胞在羟基磷灰石微米岛上的定位黏附,为将来进一步研究细胞与无机生物材料间相互作用提供了一种新的方法。本博士学位论文研究了常见的可降解聚酯多孔支架制备技术、尤其是提出了快速在孔表面引入无机涂层的思路、研发了高效的改性技术,并通过复合羟基磷灰石涂层修饰的聚酯多孔支架与骨髓基质干细胞在动物体内成功地修复了长干骨缺损。论文还专门探讨了常见的可降解聚酯降解产物对骨髓基质干细胞体外行为的影响,对于人们普遍关心的聚酯酸性产物的细胞毒性问题给出了确切的定性结论和有关临界浓度的定量数据,结果表明没有必要过分担心聚酯降解产物的细胞毒性。论文除了研究骨髓基质干细胞与聚酯及其降解产物的相互作用,还为深入研究细胞与无机生物材料间相互作用突破了制备无机生物材料微图案阵列的技术瓶颈。本博士学位论文探讨了有关可降解聚酯及其多孔支架的若干基础问题,并提出了材料技术改进的方案,有望为可降解聚酯类生物医用材料以及无机／有机复合材料的研发提供指导。
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【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08

【参考文献】