静电纺丝聚己内酯三维复合纳米纤维及其细胞生物学性能研究

发布时间：2018-11-25 22:21

【摘要】：支架材料作为组织工程技术的中心环节,不仅起着结构支撑的作用,而且可以调控细胞行为并为组织重建提供模板。采用静电纺丝技术构建的纳米纤维材料在结构上模拟天然细胞外基质,具有比表面积大、孔隙率高和可表面功能化等特点,被广泛用于药物释放、创伤敷料和组织工程支架等。但是,传统的静电纺丝由于技术限制只能构建二维结构,不能满足人体复杂组织和器官再生的实际需求。此外,适用于静电纺丝的合成高分子材料,由于力学强度较差、表面缺乏功能基团等因素,限制了其在特定组织工程(硬组织、具有电刺激响应性的肌肉组织等)中的应用。因此,如何改进静电纺丝技术并构建功能性(高力学性能、导电性、生物活性和三维立体结构)的纳米纤维支架是本课题期望解决的问题。采用静电纺丝技术构建了氧化石墨烯(GO)增强的聚己内酯(PCL)复合纳米纤维材料PCL/GO。与纯PCL支架相比,复合纳米纤维支架的整体形貌更加均匀且支架表面更加光滑,而单个纤维的直径更小且纤维表面略显粗糙并带有凹槽和突起。GO不仅改善了复合纳米纤维的表面化学和热学性能,而且提高了复合纳米纤维的弹性模量和拉伸强度(GO含量低于0.5 wt%),得到力学性能增强的复合纳米纤维支架材料。细胞生物学研究表明GO改善了细胞在纳米纤维支架材料上的粘附和铺展行为,使得小鼠骨髓间充质干细胞(mMSCs)和低分化的大鼠肾上腺嗜铬瘤细胞(PC12-L cells)分别呈现出典型的纤维原和神经元细胞样。适当含量(低于0.5 wt%)GO的复合不仅有利于细胞的增殖行为,而且分别促进了mMSCs和PC12-L cells的成骨和成神经分化。另外,PCL/GO复合纳米纤维支架对细胞行为的调控作用可能归因于支架材料的纳米拓扑结构(粗糙度)、表面含氧功能基团和导电性。通过在半球状的聚四氟乙烯壳中包埋一系列不锈钢针阵列,设计了特别的接收器并构建了具有三维结构的纳米纤维支架。这一三维纳米纤维支架宏观上再现了接收器的结构,呈现“帽子状”,且随着电纺时间的增加,最终厚度可达几个厘米。三维支架内部的致密纤维区可以提供力学强度的支撑,而疏松纤维区可以促进细胞的渗透进入。采用粘结剂整合后的三维纳米纤维支架呈现“椭圆状”,在宏观形貌上类似于人体组织/器官,如肺、肝、肾和心脏等。另外,将导电聚合物聚苯胺PANi复合到PCL中,得到了PCL/PANi三维复合纳米纤维支架。PANi的加入不仅增加了电纺溶液的导电性,使得纤维的平均直径减小,而且提高了三维复合纳米纤维支架的表面化学性能。细胞生物学研究表明适当含量(低于2.0 wt%)PANi的复合促进了小鼠成肌细胞(C2C12 cells)的粘附、铺展和增殖。此外,C2C12 cells不仅可以在三维纳米纤维支架的表面生长和分化,还可以渗透进入内部,说明PCL/PANi三维复合纳米纤维支架不仅可以为成肌细胞的生长和进入提供模板,而且可以促进细胞分化和肌管形成。将折纸和静电纺丝技术相结合,构建了具有一定形状和结构的三维纳米纤维结构。同时,将具有生物活性的纳米羟基磷灰石(nHA)复合到PCL中,得到力学性能和生物学性能增强的PCL/nHA复合纳米纤维,之后通过结构设计,采用手工折纸的方法构建具有三维结构的PCL/nHA复合纳米纤维支架,并将人胚胎成骨细胞(hFOBs)接种在其上进行体外培养,通过空间限制和细胞外基质的分泌,实现三维纳米纤维支架/细胞复合体的构建,以期为骨组织工程支架的研制提供新的策略。总言之,本课题从对静电纺丝纳米纤维支架进行功能化和三维构建这一实际问题出发,构建了具有高力学性能、导电性、生物活性和三维立体结构的复合纳米纤维支架材料。总体研究结果表明静电纺丝聚己内酯复合纳米纤维支架材料具有良好的力学适用性和生物应答性,有望成为新一代组织工程支架材料,用于骨、神经、血管和心脏等组织/器官的修复和重建。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.08

【参考文献】