骨修复材料表面仿生微环境的构建及生物学性能的研究

发布时间：2019-11-09 14:23

【摘要】：表面改性是有效改善植入材料骨再生能力的重要方法。骨再生依赖于细胞粘附生长所需要的细胞外基质微环境(ECM),特别是ECM中的多级微纳网络结构和生物分子在调节细胞行为和骨组织的再生过程中发挥着关键作用。本文的主要研究是在植入材料表面构建仿ECM功能的微环境,赋予植入材料表面微纳结构和有效生长因子释放体系,从而改善植入器械表面的骨再生能力,具体分为以下内容:为提高双相钙磷陶瓷支架(BCP)的成骨诱导再生能力,制备出载骨形态发生蛋白(BMP-2)的壳聚糖/硫酸软骨素纳米颗粒,并固定在BCP表面。载BMP-2的壳聚糖/硫酸软骨素纳米颗粒由聚电解质的静电络合作用形成,该过程中不涉及到有机溶剂和高温,保证了包覆的生长因子的活性。通过静电作用和物理吸附方式将该纳米颗粒固定在BCP支架表面,实现了 BMP-2在BCP表面的缓慢释放。骨髓间充质干细胞(BMSCs)培养结果揭示单纯BCP支架,固定纳米颗粒的BCP支架、固定纳米颗粒的聚多巴胺涂层修饰的BCP支架都利于细胞的粘附、增值和分化。体内实验表明,对比单纯BCP支架,载有纳米颗粒的BCP支架能诱导更多异位骨的形成,证实包裹BMP-2的多糖纳米颗粒提高了 BCP支架的成骨能力。采用氧化聚合方法制备出具有粘附特性和蛋白亲和性的聚多巴胺纳米颗粒(PDA-NPs)。该纳米颗粒可以有效的粘附在各种多孔支架的表面,且在支架表面的覆盖率可以精确调控。此外,经PDA-NPs修饰后的支架,其表面还具有纳米结构。更重要的是该方法提高了支架表面对生物蛋白的固载量。实验结果发现,β-磷酸三钙(TCP)支架表面修饰PDA-NPs后表现出良好的骨诱导性,主要归因于PDA-NPs的蛋白亲和性和TCP支架固有的生物活性。PDA-NPs的引入提高了 TCP支架表面的ECM蛋白负载率,并且实现了 BMP-2在其表面的缓释。PDA-NPs和其吸附BMP-2能协同增强BMSCs的活性,以及在体内诱导新骨形成能力。总之,PDA-NPs在不影响支架材料本身固有成骨特性前提下,提高了多孔支架表面的生物分子固定效率和细胞活性。通过自组装技术在钛表面制备出仿ECM功能的具有微多孔结构和粘附特性的聚多巴胺(PDA)微囊,从而提高钛表面的生物活性。该多孔结构的制备分为以下几步;首先,在磺酸化的聚苯乙烯微球表面聚合一层PDA涂层,形成PDA包裹的聚苯乙烯微球。然后,通过静电作用和化学交联作用,在医用金属表面循环沉积PDA包裹的聚苯乙烯微球和聚阳离子壳聚糖,得到以聚苯乙烯微球为核心的的涂层。最后采用有机溶剂刻蚀掉该涂层中的聚苯乙烯微球核心,得到以聚多巴胺微囊为核心的多孔微结构涂层。该涂层不仅能够促进细胞在其表面的粘附和生长,还有利于生长因子的固定和缓慢释放,这归因于PDA固有的粘附性和涂层本身多孔结构。更重要的是该涂层与BMP-2的结合能协同促进BMSCs的增殖与分化,并能诱导体内的新骨快速形成。这种具有细胞亲和性和生长因子缓释特性的多孔PDA微囊涂层,在组织工程领域有广阔的应用潜力。采用自组装技术将多糖修饰的白蛋白纳米颗粒固载在钛表面,在钛表面构建具有纳米结构的仿ECM的生物活性涂层。首先,通过去溶剂法制备出包裹生长因子(BMP-2)的白蛋白纳米颗粒,再在其表面组装壳聚糖涂层,从而形成包裹BMP-2的带正电的壳聚糖修饰的白蛋白纳米颗粒。其次,用同样的方法获得载有万古霉素的壳聚糖修饰的白蛋白纳米颗粒,并且再在其表面包覆一层氧化海藻酸钠涂层,形成带负电的载有万古霉素的白蛋白纳米颗粒。最后,以上两种分别载有不同药物的且电性相异的纳米颗粒,在静电作用和共价作用的驱动下循环组装在钛表面,形成具有多孔的纳米结构。该纳米多孔结构实现了 BMP-2和万古霉素的长期缓慢释放。BMSCs培养结果表明纳米多孔结构能促进细胞粘附、增值和分化,这种有利影响主要来自于涂层中与细胞伪足相似的纳米结构。BMP-2的载入促进了 BMSCs的成骨特性,多糖修饰的白蛋白纳米结构与BMP-2具有协同促进细胞活性的效果。抗菌实验和细胞实验表明万古霉素的载入提高了纳米结构的抗菌效果,并且万古霉素的加入不会影响该涂层的生物活性。为提高复合涂层的载药率和粘附性能,构建以聚多巴胺(PDA)功能化纳米颗粒为基元的CaP/高分子载药纳米仿生活性涂层。首先,采用化学合成的方法制备出羟基磷灰石纳米颗粒(HA-NPs),对HA-NPs表面进行修饰得到具有粘附功能的PDA包裹的HA-NPs(PHA-NPs)。其次,利用多巴胺的氧化自聚合制备出具有粘附功能的PDA纳米颗粒(PDA-NPs)。最后用层层自组装的方法在Ti表面循环交替沉积PHA-NPs和PDA-NPs,借助PDA本身特有的粘附性构建了具有纳米结构的仿生涂层。该纳米涂层提高了 BMP-2的载药率,并且实现了 BMP-2在其表面的缓慢释放。最后通过BMSCs细胞培养及大鼠大腿骨髓腔植入实验,评价该仿生涂层的生物活性及骨诱导性。BMSCs细胞培养结果表明通过层层自组装制备的纳米涂层可以促进细胞的粘附、增值及向成骨分化。体内实验表明涂层中的HA与BMP-2协同促进新骨形成。
【图文】：

骨单位,多级结构,骨组织,圆柱状

图１－１密骨的多级结构，骨组织含有致密的钙化外层（Ａ），钙化层包括很多圆柱状的哈弗斯系统或逡逑骨单位（Ｂ）。细胞聚居在具有粘附位点的微米（Ｃ）或纳米（Ｄ）结构的细胞外基质（ＥＣＭ康面［４１逡逑骨组织的化学组成：骨的化学组分包括以下三部分（图１－２）：邋１）骨组织中约７０％的逡逑成分为羟基磷灰石晶体。２）不溶性大分子，包括纤维状胶原蛋白、非胶原糖蛋白（如弹逡逑性蛋白、层粘蛋白或纤粘蛋白）以及疏水性糖蛋白。胶原蛋白、非胶原蛋白、糖蛋白是逡逑骨基质中主要的有机成分，它们占到骨基质有机成分的９０％以上，在骨的矿化成核及逡逑

示意图,细胞外基质,微环境,示意图

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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB306;R318.08

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