新型生物活性玻璃微球及其复合材料的皮肤创面修复机制研究

发布时间：2020-07-08 15:59

【摘要】：皮肤组织一旦受到严重损伤,会给患者的生活和生命健康带来极大的影响。因此,开发具有良好的生物应答效应的新型生物医用材料,从而实现创面尤其是难愈创面的快速修复,不仅是生物材料界的一大挑战,也具有重大的临床意义和市场价值。生物活性玻璃由于其本身具有的高生物活性,在皮肤修复领域具有极大的潜力。本文在溶胶-凝胶法的基础上,通过引入模板法制备了形貌规则的生物活性玻璃微球,并将生物活性玻璃微球与参与创面修复的细胞(如成纤维细胞和巨噬细胞)接触培养,探究生物活性玻璃微球对细胞行为的调控作用及其机制;将其与凡士林结合,制备生物活性玻璃微球复合膏剂,并通过体内实验探究其对难愈创面愈合的促进作用及其机理。在此基础上,将生物活性玻璃微球与生物医用高分子材料复合制备具生物活性的新型多孔纤维膜并探究其对创面修复的调控作用及修复机理。本文的主要研究内容和结论如下:(1)结合溶胶-凝胶法与模板法,制备出成分均匀、粒度整齐单一且分散性良好的新型生物活性玻璃微球,并对其表面形貌、粒径分布等性质进行表征。在此基础上,制备了分散均匀、浓度可控的生物活性玻璃/凡士林复合膏剂;(2)将生物活性玻璃微球与成纤维细胞接触培养,探究生物活性玻璃对成纤维细胞的增殖、迁移、细胞外基质分泌和分化等细胞行为的影响,并揭示其相关调控机制。结果表明:生物活性玻璃不仅可以促进成纤维细胞迁移,还可以抑制成纤维细胞向肌成纤维细胞分化,并限制成纤维细胞I型胶原和III型胶原的过度分泌。而这种抑制作用可能是通过抑制TGF-β1-Smad2信号通路中TGF-β受体I的表达来实现的;(3)将生物活性玻璃微球与巨噬细胞接触培养,研究其对巨噬细胞的增殖、趋向性迁移、吞噬和表型极化等细胞行为的影响,并揭示不同浓度生物活性玻璃对其调控的机制。结果表明:生物活性玻璃对巨噬细胞行为的调控具有一定的浓度依赖性。低浓度(20μg/mL)时,被摄入的生物活性玻璃能够被巨噬细胞较快降解,并促进巨噬细胞的增殖,加快M1型向M2型的极化过程,NF-κB信号通路可能参与介导生物活性玻璃对巨噬细胞极化的调控;相反,在高浓度(100μg/mL)时,被摄入的生物活性玻璃降解较慢,破坏巨噬细胞细胞器结构的完整性,导致明显的细胞毒性并延长其炎症反应。此外,生物活性玻璃也能够诱导巨噬细胞趋向性迁移,但是与其浓度似乎不存在正相关性;(4)将生物活性玻璃微球/凡士林复合膏剂应用于糖尿病大鼠难愈创面的治疗,通过考察创面的愈合速率、创面新生组织的组成和结构、组织中巨噬细胞的表型极化和相关生长因子的表达情况,探究不同用量的生物活性玻璃对难愈创面修复的调控作用及其机制。实验结果表明:在难愈创面的微环境下,虽然生物活性玻璃的使用会带来一定的炎症反应,但是低浓度的生物活性玻璃可以加快糖尿病创面处巨噬细胞从M1型向M2型极化的进程,而高浓度的生物活性玻璃会导致创面处炎症反应的长期存在,不利于创面的修复;(5)通过对纺丝溶液中聚己内酯、造孔剂和生物活性玻璃微球的含量进行调节,结合静电纺丝技术和相分离技术,制备新型生物活性玻璃微球/聚己内酯多孔纤维膜,并对其表面形貌、亲疏水性和离子释放等性质进行表征。结果表明:提高聚己内酯浓度可以去除纤维中的串珠结构;使用合适浓度的造孔剂可以在纤维表面制备出密集的多孔结构;生物活性玻璃加入量过多会导致纤维形态的改变和表面孔洞结构的消失。最终制备的多孔复合纤维膜的纤维尺寸均一,生物活性玻璃分布均匀,表面多孔结构能更好地吸附蛋白并促进生物活性玻璃的离子释放;(6)通过在生物活性玻璃微球/聚己内酯多孔纤维膜上分别接种巨噬细胞和内皮细胞,探究其对这两种细胞行为的调控作用,并将其应用于糖尿病大鼠难愈创面的治疗,考察多孔纤维膜对难愈创面修复的调控作用及其机制。结果表明:生物活性玻璃微球/聚己内酯多孔纤维膜能促进巨噬细胞的向M2表型极化和HUVECs的增殖及成血管性能;并通过在创面初期为细胞迁移、粘附提供结构上的支持,促进创面再表皮化进程;还可以缩短创面的炎症阶段,并加快修复相关生长因子的分泌和糖尿病大鼠创面处血管的形成,从而加速糖尿病创面的愈合。综上所述,生物活性玻璃微球能够抑制成纤维细胞向肌成纤维细胞分化,并调控巨噬细胞的极化过程,通过对创面的炎症反应的调控促进难愈创面的愈合。在此基础上将其与生物医用高分子材料结合制备了具生物响应性的新型复合多孔纤维膜,并证明其能够促进糖尿病创面炎症反应的消退和血管的快速生成。本文不仅阐明了生物活性玻璃对创面修复的调控作用,也为皮肤组织再生修复材料的设计提供了新思路和理论依据。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08
【图文】：

示意图,三层结构,示意图,表皮层

图 1-1 皮肤的三层结构示意图[11]Figure 1-1 Diagram of the three-layer structure of skin层主要由角质形成细胞组成，但也包含少量其他细胞类型比如朗格汉斯胞。这一结构是抵御外界感染和防止体内水分流失的屏障。根据表皮角程度的不同，可以将这一结构分为五层：基底层：处于表皮层的最底层，与真皮层相接，由短柱状的细胞构成胞会不停增殖分裂，为表皮层提供新生的细胞。这些细胞会逐渐向上迁成其他层的细胞；棘层：由数层多边形的细胞构成，细胞间连接紧密，细胞仍具有一定；颗粒层：由扁平的细胞构成，细胞器开始退化消失，细胞核固缩，细明角质颗粒；透明层：细胞核细胞器均完全退化，细胞界限不清晰，细胞内含有角母

肌成纤维细胞,主要步骤,成纤维细胞,细胞外基质

华南理工大学博士学位论文纤维，能够产生较小的牵引力。这种细胞表型的变化受到细胞外基质组成、机械性能的改变[49]和炎症过程中释放的各种生长因子的调控[50]。2.随着组织修复过程的进行，原肌成纤维细胞逐渐分化成为能够表达 α-平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA）的肌成纤维细胞。α-SMA 的表达受到转化生长因子（TGFβ1）和细胞外基质机械微环境的调控[51]。α-SMA 与应力纤维的结合能够显著增强成纤维细胞的收缩能力，从而促进创面组织的收缩闭合。

巨噬细胞,范例,表型

华南理工大学博士学位论文进入增殖阶段所必需，能够促使创面的愈合[67]。通过对来自皮肤伤口的巨噬细胞的表型研究发现，在创面修复早期巨噬细胞主要以分泌 TNF-α，IL-1 和 IL-6 的促炎表型 M1 为主，而在创面修复后期，则以表达 CD206和 Argniase-1 的 M2 型为主[68]。但是值得注意的是，体内的巨噬细胞似乎不如体外实验中描述的可以被完全分为两种不同表型。在创面愈合过程中的各个时间点，创面处都有可能存在杂合巨噬细胞表型。此外，一些研究表明，巨噬细胞表型的改变在慢性创面的发病机理中起到关键作用。例如，在小鼠伤口模型中，过量的 M1 巨噬细胞群会导致伤口愈合过程受阻。此外，在糖尿病小鼠创面组织中，巨噬细胞从促炎症表型极化为促愈合表型的过程也受到了阻碍，从而导致糖尿病难愈创面的出现[69]。因此，如何充分了解巨噬细胞的各种表型极化的调控因素，并实现对其的定向调控，是促进创面修复的一个重要问题。

【相似文献】