壳聚糖基温敏复合凝胶及其骨组织工程应用研究

发布时间：2020-06-20 21:57

【摘要】：高分子水凝胶是一类含水量高的三维网络结构材料。不同的合成高分子和天然高分子已经被用于制备水凝胶并被广泛用于生物医学领域。目前部分水凝胶产品已经显现出用于组织修复与重建的临床转化潜力。一些天然材料来源的水凝胶因其好的生物相容性以及高孔结构适于细胞粘附、生长、迁移以及营养物质的传输等可起到模拟细胞外基质的关键作用,从而在皮肤、神经、软骨和骨组织修复与重建中得到了大量应用。然而,目前可用于制备水凝胶并可基本满足体内应用安全要求的天然高分子材料种类少,而且由此获得的水凝胶常显现力学性质差、体内降解速率快和综合功能不足等问题。因此,在保障这些天然高分子水凝胶所具有优点不受影响的前提下如何显著改进其力学性质、增强其体内降解耐受性和增加其多功能性是这些水凝胶后续应用发展需要解决的重要问题。壳聚糖/甘油磷酸钠(GP)复合物可形成体内安全的温敏性水凝胶。当壳聚糖/GP水凝胶被用于组织修复时其力学强度差和体内降解速率快等问题严重限制了它的应用。本文主要是通过在壳聚糖/GP水凝胶体系中复合新合成的材料来改善该凝胶体系的力学性质、耐降解性和增加其功能性。首先,我们将设计合成得到的葡聚糖-聚乳酸共聚物与壳聚糖/GP复合而制备出一种力学性能显著增强、体内耐降解性显著提高的复合水凝胶。其次,为了使凝胶具有骨诱导性、骨传导性和原位矿化的能力,将丝素和羟基磷灰石联合与壳聚糖/GP复合制备出新型可注射凝胶。最后,为了使水凝胶具有力学强、耐降解以及骨诱导和血管诱导生成活性,将优化获得的壳聚糖/丝素/GP凝胶与含铜生物活性玻璃纳米粒复合,制备出一类新型功能化复合水凝胶。基于壳聚糖/GP水凝胶的可注射性和热敏性,所获得的新型复合凝胶都可以在生理温度和pH条件下实施注射并实现凝胶化。经体外和体内实验证实,这些复合凝胶具有好的安全性并可有效修复骨缺损。基于以上思路,本文开展了以下研究工作:(1)壳聚糖/聚乳酸-葡聚糖共聚物复合水凝胶的制备与表征通过偶联反应将聚乳酸(PLA)寡体接枝到葡聚糖(Dex)主链上获得一系列PLA含量不同的葡聚糖-聚乳酸(Dex-PLA)共聚物。选取PLA含量约50wt%Dex-PLA用于制备壳聚糖/Dex-PLA/甘油磷酸钠复合水凝胶(chitosan/Dex-PLA/GP)。优化获得的三元复合溶液在生理温度和pH显示凝胶形成能力。流变学测量结果证实凝胶中Dex-PLA含量对初始凝胶温度和凝胶时间有一定程度影响而凝胶弹性模量随Dex-PLA含量增加显著上升。压力性能测试结果表明,与壳聚糖/GP凝胶相比,chitosan/Dex-PLA/GP凝胶的压力模量E和?_(10)强度分别提高了约8倍。另外,三元复合凝胶在大鼠体内降解实验证实,与壳聚糖/GP凝胶相比,chitosan/Dex-PLA/GP凝胶的降解速率显著变慢。因而获得一种力学强和耐降解的新型凝胶。(2)壳聚糖/丝素/纳米羟基磷灰石复合水凝胶的制备与表征为赋予凝胶体系力学强、耐降解以及骨诱导和骨传导等性质,将丝素蛋白、纳米羟基磷灰石与壳聚糖/GP凝胶结合,制备了壳聚糖/丝素/羟基磷灰石/GP复合凝胶(CH/SF/HA/GP)。该系列凝胶在生理温度和pH条件下,可较快凝胶化。扫描电镜(SEM)结果显示CH/SF/HA/GP凝胶具备贯通的三维多孔结构。流变学测量结果表明与CH/GP凝胶的弹性模量相比,优化获得的CH/SF/HA/GP凝胶的弹性模量可提高80倍以上。力学性能测试表明,优化获得的CH/SF/HA/GP凝胶的压力模量和?_(10)分别分别提高了约20倍。体内降解实验结果显示体内降解7周后,优化获得的CH/SF/HA/GP凝胶其重量保留率高于70%。该复合凝胶具有良好的力学性质和体内耐降解性,可作为注射型支架材料用于骨组织修复与重建。(3)含铜生物活性玻璃复合水凝胶制备及大鼠颅骨缺损修复的研究将含铜生物活性玻璃纳米粒与壳聚糖基凝胶复合所获得复合凝胶同时具有骨诱导和血管诱导再生功能。以改良Sto?ber方法制备生物活性玻璃纳米粒(BG NP)和含铜的生物活性玻璃纳米粒(Cu-BG NP)。将制备的Cu-BG NP与CH/SF/GP凝胶体系复合,制备功能化复合水凝胶(Cu-BG/CH/SF/GP)。研究了含铜生物活性玻璃复合凝胶的结构与性质。SEM结果显示复合凝胶呈三维网络状结构。流变学结果表明凝胶保持剪切变稀性质,通过复合纳米粒,凝胶的弹性模量和粘性模量均有所增加。电感耦合等离子体原子发射光谱仪检测得出优化获得的Cu-BG/CH/SF/GP可以持续释放硅离子、钙离子和铜离子,且凝胶中释放的Cu离子的浓度呈近似线性趋势。将复合凝胶在人体模拟液中处理4周,复合凝胶表面有大量菜花状磷灰石形成。体外细胞实验优化获得的复合凝胶支持MC3T3-E1细胞的粘附、生长和增殖。q-PCR分析和Western blotting检测结果证实,优化获得的复合凝胶可以显著促进血管内皮细胞中促血管生成相关基因表达上调和增加血管内皮生长因子的合成。基于大鼠颅骨缺损标准模型,利用优化获得的复合凝胶在不使用种子细胞的条件下实施修复的结果表明,该型凝胶可在约8周时间完全修复颅骨缺损,而且新生组织被证实为骨组织并伴有新生血管形成。这些结果表明,研究获得的新型复合水凝胶具有骨缺损修复与重建的应用潜力。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ427.26;R318.08
【图文】：

PVA)等[13,14,15,16](如图1.1)。合成高分子水凝胶不仅化学结构稳定、重复性好，还能通过调节各种特殊的链段、分子量等来控制水凝胶的结构和性能。PEG是亲水性聚

图 1.2 可用于制备水凝胶的几种天然高分子材料的结构式。Figure 1.2 Structure of several natural polymers commonly used for hydrogels.聚糖糖(Chitosan，CH)是一种天然的碱性多糖，主要的结构单元为葡糖胺，基质中糖胺聚糖(Glycosaminoglycan，GAG)的结构具有相似性[24]。G的胞外基质成分之一，与胶原纤维相互作用，在细胞-细胞粘附中起重糖主要通过几丁质酶或溶菌酶来完成降解，降解的单体产物为氨基葡萄人体无毒副作用，而且在体内不积累、不引起抗原反应。因此，壳聚生物相容性及降解性等优点，可作为组织工程支架材料应用于神经、领域[24,25,26]。壳聚糖内部存在晶型和非晶型两种结构，由于其分子链上团、疏水基团(-CH3)以及羟基(-OH)，导致壳聚糖水溶性较差。在酸性条件子链上的-NH2基团与酸性溶液的游离H+会产生质子化作用而影响其作用，另外壳聚糖分子链上-OH捕获的水分子会产生溶胀作用延展其

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本文编号：2723024