介孔氧化硅基纳米输送体系的构建及其在骨修复材料中的应用

发布时间：2019-09-19 11:49

【摘要】：运动、创伤和肿瘤等因素造成的骨组织损伤,严重影响着人们的身体健康和生活。研制出能够携带骨组织修复药物/生长因子,兼具有优良骨诱导活性的骨修复材料对骨组织的修复和重建具有重大的现实意义。 本项研究以具有均一孔道、较大孔容和比表面积、易于化学改性等特性及优异细胞转运性能的介孔氧化硅纳米粒子(MSNs)为基体,构建能够同时负载小分子药物地塞米松和骨形态发生蛋白(rhBMP-2)、且具有pH响应性能的硅基纳米输送体系,实现地塞米松在细胞表面的高效转运以及在细胞内的高效利用,进而与rhBMP-2协同诱导骨组织的形成；并从细胞和分子水平研究地塞米松和BMP-2协同诱导成骨的规律和机理；在此基础上构建高活性的骨修复材料。 不同粒径MSNs的制备及其生物学性能。采用溶胶-凝胶法制备出四种粒径分别为55nm、100nm、200nm和440nm的MSNs。合成的MSNs具有相同的介孔结构、相近的表面电荷和介孔孔径,且都具有较大的比表面积和孔容。体外细胞实验结果表明,制备的MSNs不仅能够通过溶酶体途径进入细胞,还能够从溶酶体中逃逸出来；100nm的MSNs细胞吞噬能力及溶酶体逃逸能力最强。四种粒径的MSNs都具有较好的生物相容性,其中200nm的MSNs细胞毒性最小。体外药物负载和释放试验表明,小分子药物地塞米松和维生素C的负载量随介孔材料的比表面积增大而增加,而大分子蛋白的负载量与纳米粒子的比表面积没有直接关系。MSNs的粒径较大,小分子药物的释放较慢,反之,粒径较小,药物释放速度较快。由于药物只是简单吸附在MSNs的表面,导致水溶性维生素C的释放速率远远大于疏水性药物地塞米松的释放速率；MSNs粒径的增加,大分子蛋白的释放速率降低。 基于硼酸酯键的pH响应型MSNs载药体系的制备与性能。在MSNs和5nm的Fe304纳米粒子表面接枝多元醇和硼酸,通过多元醇和硼酸的反应将Fe304锚接在MSNs介孔孔道外侧,设计和合成了Fe3O4-capped-MSNs响应型纳米开关体系。FTIR、XRD、TEM、XPS等表征手段证明Fe304纳米粒子锚接到MSNs的表面。体外药物释放实验显示,在pH=5.0-8.0时,MSNs的孔道表面被Fe304纳米粒子覆盖,药物不能从孔道中释放出来；在pH=2.0-4.0时,由于硼酸酯键的水解,Fe304纳米粒子从MSNs的表面脱离,负载的药物从孔道中快速地释放出来。在3.0-7.0之间调节pH值,Fe304纳米粒子呈现出特色的可逆“开／关”效应,药物实现了脉冲式释放(单次少量释放)。这种药物载体具有优异的磁靶向效应和生物相容性,并且能够被MC3T3-E1细胞所吞噬。 基于三氮杂金刚烷键的pH响应型MSNs载药体系的制备与性能。以pH值5.0-7.4范围内具有可逆反应的三氮杂金刚烷基团(TAA)为桥键,设计制备了pH在5.0-7.4范围内可逆可控药物传输系统(MSN-TAA-Fe304)。FTIR、XRD、TEM、EDS等表征手段证明了Fe304纳米粒子锚接到两种类型MSNs (MCM-41口SBA-15)的表面。体外药物释放实验显示,在中性环境(pH为7.4)时,合成的MCM-TAA-Fe3O4纳米复合载药体系能够有效地阻止小分子药物地塞米松的释放,而在pH为5.0-6.0时释放药物分子；并且随着pH值的变化呈现明显的pH可逆响应开关效应。合成的SBA-TAA-Fe3O4纳米复合载药体系释放牛血清白蛋白(BSA)具有相同的可逆pH响应开关效应。体外细胞培养实验表明,合成的MCM-TAA-Fe3O4和SBA-TAA-Fe3O4纳米复合载药体系,均具有很好的生物相容性和磁靶向性,可用于药物和蛋白的靶向释放。细胞实验表明,MCM-TAA-Fe3O4内米复合载药体系,能够通过溶酶体途径进入细胞质内,并可以在细胞内控制释放药物,可以作为一种理想的穿膜载药体系。 地塞米松和BMP-2协同诱导成骨的规律和机理。以C2C12细胞作为模型,研究了小分子药物地塞米松和rhBMP-2在体外协同诱导成骨分化的情况。结果表明,地塞米松能够显著提高rhBMP-2诱导的C2C12细胞碱性磷酸酶(ALP)的活性和体外矿化水平,表现出典型的协同效应,其过程具有明显的时间和浓度依赖性。蛋白印迹(western blotting)、实时反转录聚合酶链式反应(realtime RT-PCR)等研究结果表明,地塞米松和rhBMP-2的协同作用,Smad信号分子以及信号传导子和转录激活子信号通道(STAT3)不起作用,而是通过协同提高Runx2表达的途径来促进成骨分化。 双载药pH响应型壳聚糖/介孔氧化硅复合材料制备与性能。采用有机/无机复合的方法,制备出了一种能够同时控释小分子药物和BMP-2的pH响应型壳聚糖/介孔氧化硅复合材料(chi-MSNs)。通过FTIR、XRD、TEM、SEM和粒径及Zeta电位分析,证明壳聚糖被改性到介孔硅的表面,壳聚糖封堵了介孔硅的孔道,但是对介孔硅的粒径没有明显影响。经壳聚糖表面改性的介孔氧化硅的比表面积和孔容急剧下降。体外缓释实验表明,chi-MSNs具有良好的pH响应性能,在中性环境下抑制地塞米松的释放,酸性环境(pH为6.0)下快速释放地塞米松药物分子,这种响应具有可逆性。体外rhBMP-2的负载和缓释实验表明,chi-MSNs对rhBMP-2的负载量为32.4%,并具有一定的缓释作用。细胞实验表明,chi-MSNs复合载药体系具有良好的生物相容性和诱导分化能力。体内异位成骨实验结果显示,同时负载地塞米松和rhBMP-2的chi-MSNs复合载药体系能够有效地促进骨组织的形成。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.08

【参考文献】

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2 朱荣;罗奎;徐翔晖;吴尧;何斌;顾忠伟;;以磁纳米粒为核的pH敏感型聚谷氨酸树状分子药物载体[J];高分子学报;2011年06期

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本文编号：2538095