基于水凝胶模板原位合成磷酸钙类骨组织修复材料及表征

发布时间：2020-01-26 09:42

【摘要】：自然界里普遍存在着如象牙,鱼耳石,磁性细菌,骨骼、蛋壳、牙齿和珍珠等这些天然生物矿物,它们具有优异生物、物理和化学性质。为了制备多种新型材料,必须首先对这些天然生物矿物的组成、结构、性质和形成机理做大量深入的研究。生物矿化,作为再生医学和组织工程的研究的一个方向,对硬组织的再生研究具有重要的意义。引用生物矿化的概念进行仿生合成是一个崭新的材料合成领域,特别是有机模板框架作用下的有机／无机复合材料的制备,一直是仿生合成研究领域的热点。近年来,利用有机基质在仿生材料合成领域的研究已经取得了令人鼓舞的成果,推动了生物医用材料方面的发展。 在大量文献调研和课题组研究的基础上,本论文首先选取了几种不同的天然高分子水凝胶为有机模板,调控羟基磷灰石无机矿物在凝胶中原位生成,并在原有天然高分子水凝胶体系中添加其他功能分子以达到双重模板调控的功效,制备具有特殊结构和优异性能的有机／无机复合骨组织修复和骨组织工程材料；其次,本论文利用原位化学交联法和仿生矿化法在水凝胶表面原位合成羟基磷灰石,合成了有机／无机复合材料,为进一步深入研究生物矿化体系中有机模板对羟基磷灰石调控的分子机制提供必要的依据。具体研究内容如下： 1、采用基于胶原蛋白水凝胶及功能分子添加物双重模板驱动的原位沉淀技术分别仿生合成了胶原蛋白／羟基磷灰石纳米复合材料和胶原蛋白-丝素蛋白／羟基磷灰石纳米复合材料,利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)这些分析手段对合成的复合材料进行成分和结构性质的表征,通过材料力学试验机对复合材料的力学性能进行检测,复合材料的细胞相容性则由成骨细胞的形貌改变和CCK-8试验来评价。结果表明：在原位沉淀过程中,胶原蛋白水凝胶三维模板对无机矿物晶体的形成具有非常明显的调控作用,三维凝胶网格的隔室化效应,可控制无机粒子的大小和分散度；此外,通过对胶原蛋白水凝胶中添加其它的功能分子(丝素蛋白)模板作为双重模板可以提高复合材料的力学性能。在此双重模板效应下,可得到兼具优异力学性能和细胞相容性的有机高分子／羟基磷灰石纳米复合材料。 在上述合成的均匀羟基磷灰石／胶原蛋白水凝胶复合物的基础上,采用本课题组发展成熟的多孔成形冻干技术,制备了具有多级多孔构造的复合支架材料,用于模拟形成骨小梁、小梁间隙和骨内官腔系统,使其在由介观到微观尺度的不同结构层次均具有类骨仿生特点。这种冷冻干燥技术可通过变化体系中各种参数调控孔的大小及孔隙率。该复合支架材料有望应用于骨组织工程领域。 2、采用基于壳聚糖水凝胶及功能分子添加物双重模板驱动的原位沉淀技术分别仿生合成了壳聚糖-多壁碳纳米管/羟基磷灰石纳米复合材料和壳聚糖-丝胶蛋白/羟基磷灰石纳米复合材料,利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)这些分析手段对合成的复合材料进行成分和结构性质的表征,通过材料力学试验机对复合材料的力学性能进行检测,复合材料的细胞相容性则由成骨细胞的形貌改变和CCK-8试验来评价。结果表明：在壳聚糖水凝胶基质中添加功能分子,对复合材料中羟基磷灰石的原位成核和生长起到了极其显著的作用。在原位沉淀过程中,壳聚糖水凝胶三维凝胶网格的隔室化效应,可控制无机粒子的大小和分散度；此外,通过对壳聚糖水凝胶中添加其它的功能分子(多壁碳纳米管和丝胶蛋白)模板作为双重模板可以对无机粒子的形貌和结构进行更为精细的调控,还能提高复合材料的力学性能。而且,表现出比胶原蛋白/羟基磷灰石纳米复合材料更好的力学性能。再者,不同的碱扩散方式对壳聚糖-丝胶蛋白/羟基磷灰石纳米复合材料的形貌也有影响。 在上述合成的均匀羟基磷灰石/壳聚糖水凝胶复合物的基础上,采用本课题组发展成熟的多孔成形冻干技术,制备了具有多级多孔构造的复合支架材料,用于模拟形成骨小梁、小梁间隙和骨内官腔系统,使其在由介观到微观尺度的不同结构层次均具有类骨仿生特点。这种冷冻干燥技术可通过变化体系中各种参数调控孔的大小及孔隙率。该复合支架材料有望应用于骨组织工程领域。 3、通过原位化学交联法制备得到壳聚糖-透明质酸复合水凝胶,这种原位化学交联法反应条件温和,无需额外添加可能产生细胞毒性的化学交联剂,也没有光交联法那么繁琐,再利用仿生矿化法在壳聚糖-透明质酸复合水凝胶表面沉积得到羟基磷灰石。随着矿化时间的延长,羟基磷灰石晶体数量增多,尺寸增大。透明质酸促进了成骨细胞的黏附、生长和增殖。
【图文】：

U型管两臂分别加入形成矿物的反应物和添加剂，或者将添加剂预先加入到凝胶中。双扩散凝胶体系中晶体的生长示意图见图1.1。Azam [50]等人在明胶双扩散凝胶体系中研究了磷酸1?晶体的生长，结果显示，，球形颗粒状的磷酸1?晶体由k

本文编号：2573272