含精氨酸的聚酯脲氨酯复合埃洛石材料的骨修复研究

发布时间：2020-08-02 04:38

【摘要】：多嵌段结构的热塑性医用聚氨酯弹性体(Thermoplastic polyurethane,TPU)力学性能优良,成型加工方式多,在人工血管、导管、心脏补片、骨和软骨替代中有广泛应用。但TPU材料仍存在亲水性、生物活性、降解性和细胞相容性有待提高的问题,距骨组织修复与再生材料的需求仍有差距。本研究针对聚酯型聚氨酯疏水性强而导致的降解速率慢、细胞粘附性以及成骨活性不佳的问题,尝试将精氨酸引入聚氨酯结构以改善其亲水性,同时将合成聚氨酯与埃洛石复合以改善其成骨特性。研究首先将苯磺酸保护的精氨酸与二醇(碳原子数x=2,4,6,8)进行缩合反应得到氨端基精氨酸二酯(L-Arg-x),红外、核磁等分析测试结果表明得到与设计相一致的L-Arg-x分子,实验结果表明随着碳原子数的增加,反应收率逐渐提高,从17.63%到67.30%。采用收率最高的两种精氨酸二醇酯合成了一系列具有精氨酸含量的聚酯脲氨酯。测试结果表明精氨酸的引入显著改善了亲水性,随着精氨酸的引入,接触角从109.67±3.92~o降低到59.10±0.61~o。膜表面Zeta电位(pH~7)从-20 mV提高到130 mV。材料降解性能也得到显著改善,在60天时,不含精氨酸的聚氨酯材料失重率不足1%,不同精氨酸含量的材料的失重率提升到6%~30%。聚酯脲氨酯的生物学评价显示合成材料无细胞毒性,细胞在材料表面的粘附与增殖显著改善,但精氨酸含量偏高(A8-2.0材料)也会导致粘附活细胞比例减少。细胞迁移实验还表明,材料表面的正电荷利于干细胞迁移。骨髓基质干细胞在精氨酸聚酯脲氨酯材料表面的成骨诱导研究表明,干细胞的COL1和BMP4表达水平上调。埃洛石纳米管与聚酯脲氨酯复合提高了材料的力学性能,电镜观察表明埃洛石在材料内部分散均匀。细胞体外矿化结果显示埃洛石纳米管(Halloysite nanotubes,HNTs)可有效增强牙髓干细胞(Human dental pulp stem cells,hDPSC)体外矿化作用,A8-1.2/6%HNTs的复合材料效果最为明显,同时,细胞成骨实验还表明,在含6%HNTs的复合材料上,COL1、BMP4和RUNX2的表达水平显著上调,hDPSC细胞成骨分化能力提高。大鼠颅骨缺损模型修复实验表明,A8-1.2/6%HNTs复合材料补片可显著促进临界尺寸颅骨缺损的修复,在12周时,缺损处相对骨体积分数(BV/TV)达到(71.65±11.40)%,显著优于未加HNTs的材料组。巨噬细胞在PEUU和PEUU/HNTs上的共培养研究表明,在聚酯脲氨酯及其埃洛石复合材料上,巨噬细胞分泌促炎因子TNF-α水平下调,破骨相关因子IL-6和OSM的分泌上调,此外,成骨相关因子BMP2在A8-1.2和A8-1.2/6%HNTs上都显著上调,A8-1.2和A8-1.2/6%HNTs材料上早期巨噬细胞调节的破骨活动和促骨生成可能对骨重塑起到了重要作用,从而使A8-1.2/6%HNTs具有更好的骨修复效果。研究合成出来氨端基精氨酸二醇酯并以此为基础合成除了含精氨酸结构的可降解聚酯脲氨酯材料,改善了合成聚氨酯亲水性、降解性和细胞相容性,并制备出了该聚氨酯与HNTs的复合材料,复合材料具有促进骨再生的能力。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08;TB332
【图文】：

氨酯,聚氨酯,结构示意图

骨修复的材料也仍多集中在可生物降解的聚乳酸、聚乙醇酸、很好的降解性，但其快速的降解也会引起组织局部酸性物质环境等问题。因而，综合各种材料优势的复合材料受到研究者们种类更为繁多，至今仍未有公认的理想材料，仍处于不断探索材料酯的结构与在生物材料上的应用弹性体（TPU）是一大类包含了聚氨酯、聚脲和聚氨酯脲结构氨酯的结构以及氨酯和脲的结构示意图如图 1-1 所示，软段多低于室温的低聚分子链，硬段通常是由二异氰酸酯与二胺或二强氢键作用。在典型的聚氨酯中，通过选择和调整不同的软段多样可调的弹性体材料。

精氨酸,化学结构

图 1-2 L-精氨酸的化学结构 1-2 Chemical structure of L-氨酸起到了重要作用，伤提高可增加 NO 的产生[32的磷酸化来增强上皮细生成、细胞增殖、胶原凋亡[35]。伤口中存在精氨，促进伤口修复[36]。有研究报道，如基于精氨ster urea urethane), PEUU基于精氨酸的聚酯酰胺（涂层[38]都具有优良的细

生物材料,细胞的,破骨细胞,巨噬细胞

华南理工大学硕士学位论文 1β（IL-1β））可激活炎性巨噬细胞（M1），诱导破骨细胞生成，导致骨吸收，的促炎因子的释放常伴随高破骨细胞活动，导致骨侵蚀，但研究也表明一定的折愈合的早期骨重塑中具有重要作用[58-60]。Oncostatin M（OSM）使用与 IL-6体亚单元进行信号传递，可以刺激成骨细胞产生 RANKL，促进破骨细胞形成 IL-6 协同作用，已有研究表明 IL-6 的敲除会延缓受损组织的成熟、矿化和重的敲除则会导致骨折愈合早期新生骨的减少[61, 62]。活化的 M2 巨噬细胞会分子（TNF- 、TGF-β1、TGF-β3）促进纤维组织的生成，但其分泌 BMP2 和 V也能起到促进骨的生成的作用[63, 64]。材料的表面性质如微观结构、亲疏水性、表面电荷等，很大程度上会决定免疫料上的生物学行为（图 1-3）。一般来说，疏水材料比亲水材料更易导致局部原应，阳离子比阴离子更可能促进炎症反应[65, 66]。

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