由于骨創(chuàng)傷、骨髓炎、骨腫瘤等骨科疾病引起的骨缺損日益增多,人們對(duì)骨修復(fù)支架材料的要求也越來(lái)越高。自然骨組織是一個(gè)復(fù)雜的梯度結(jié)構(gòu),而傳統(tǒng)的骨修復(fù)支架材料結(jié)構(gòu)單一,無(wú)法較好地支撐骨組織的再生。骨修復(fù)支架材料與組織、細(xì)胞間的相互作用也是影響骨組織再生的重要因素,傳統(tǒng)的骨修復(fù)支架材料由于缺乏細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn),導(dǎo)致其與周圍組織的界面結(jié)合力較弱,不利于細(xì)胞的粘附、增殖以及組織的重建。因此,制備理想的骨修復(fù)支架材料需要在模擬自然骨組織梯度結(jié)構(gòu)的同時(shí)有效改善其與細(xì)胞、組織間的相互作用。本文利用具有超強(qiáng)粘附性、優(yōu)異反應(yīng)活性的多巴胺功能單體改性生物大分子,并將改性大分子與納米材料復(fù)合簡(jiǎn)單、快速地構(gòu)筑多巴胺改性生物大分子梯度支架材料,著重考察梯度支架材料的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、力學(xué)性能、降解性能、礦化性能、藥物負(fù)載與釋放性能、生物相容性、細(xì)胞粘附性以及體內(nèi)成骨活性。1.聚多巴胺/海藻酸-多巴胺梯度支架材料的構(gòu)筑與性能調(diào)控選用功能單體多巴胺(DA)改性海藻酸(Alg),合成海藻酸-多巴胺(Alg-DA)改性生物大分子。利用DA在弱堿性環(huán)境中的氧化自聚反應(yīng),制備尺寸均勻、粒度可控的聚多巴胺納米粒子(PDA NPs)。將不同濃度的Alg-DA與PDA NPs復(fù)合并通過(guò)冷凍干燥法制備PDA/Alg-DA梯度支架材料。同時(shí),通過(guò)冷凍干燥法分別制備Alg、PDA/Alg、Alg-DA以及PDA/Alg-DA均勻支架材料,以探究DA、PDA NPs對(duì)梯度支架各層結(jié)構(gòu)和性能的影響。利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察支架內(nèi)部形貌,發(fā)現(xiàn)梯度支架材料具有規(guī)整的孔結(jié)構(gòu),孔徑呈梯度分布;支架材料層與層之間結(jié)合緊密,未出現(xiàn)斷層或裂縫現(xiàn)象,孔洞互相連通,孔隙率達(dá)76%左右。利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試梯度支架材料的力學(xué)性能,當(dāng)支架材料的壓縮形變?yōu)?0%時(shí),其壓縮模量可達(dá)0.93 MPa;進(jìn)一步考察梯度支架的體外降解性能、礦化性能以及藥物負(fù)載與釋放性能,結(jié)果表明:梯度支架材料降解35天后,其降解率約為14%;支架材料具有優(yōu)異的礦化性能,能有效促進(jìn)磷酸鈣鹽在其表面的沉積;其也具有較高的藥物負(fù)載率并可實(shí)現(xiàn)藥物的緩慢釋放。MTT以及FDA染色測(cè)試結(jié)果顯示支架材料具有良好的細(xì)胞相容性,細(xì)胞存活率較高,細(xì)胞形態(tài)良好。利用SEM考察梯度支架材料的細(xì)胞粘附性能,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞能牢固地粘附于支架材料表面以及內(nèi)部孔道之中,表明其具有優(yōu)異的細(xì)胞粘附性能。研究DA、PDA NPs改性對(duì)梯度支架材料各層結(jié)構(gòu)和性能的影響,發(fā)現(xiàn)引入DA以及PDA NPs后梯度支架材料的內(nèi)部孔徑、孔隙率、降解速率有所減小,力學(xué)性能、礦化性能、藥物負(fù)載與釋放性能以及細(xì)胞粘附性能得到了明顯的改善。2.羥基磷灰石/海藻酸-多巴胺梯度支架材料的構(gòu)筑與性能調(diào)控為進(jìn)一步改善梯度支架材料的力學(xué)性能與成骨活性,引入羥基磷灰石與Alg-DA復(fù)合,以制備復(fù)合梯度支架材料。選用功能單體(3-氯-2-羥丙基)三甲基氯化銨(CHPTAC)對(duì)殼聚糖(CS)進(jìn)行季銨化改性,合成季銨化殼聚糖(QCS)。通過(guò)仿生合成法,以QCS為大分子模板,原位合成羥基磷灰石(QCHA)。將QCHA與改性生物大分子Alg-DA以不同比例復(fù)合并通過(guò)冷凍干燥法制備QCHA/Alg-DA梯度支架材料。對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、力學(xué)性能、降解性能、礦化性能、藥物負(fù)載與釋放性能、生物相容性、細(xì)胞粘附性以及體內(nèi)成骨性能進(jìn)行考察,結(jié)果顯示:QCHA/Alg-DA梯度支架具有較為規(guī)整的孔結(jié)構(gòu),孔徑呈梯度分布,并隨著QCHA含量的增加而減小;支架孔隙率也呈梯度分布,總孔隙率約為72%;力學(xué)性能良好,從上層到底層,隨著QCHA含量的增加而逐漸增強(qiáng),當(dāng)壓縮形變?yōu)?0%時(shí),梯度支架壓縮模量可達(dá)1.70 MPa;降解周期較為適宜,降解35 d后,其降解率約為30%,基本匹配新骨的生長(zhǎng)速度;具有良好的礦化性能,有利于磷酸鈣鹽在其表面沉積;具有較好的藥物負(fù)載性能,能實(shí)現(xiàn)藥物的緩慢釋放;梯度支架材料的生物相容性和細(xì)胞粘附性良好,細(xì)胞存活率較高,有利于細(xì)胞的粘附與生長(zhǎng);動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該種梯度支架材料具有較好的組織相容性和成骨活性,可有效促進(jìn)骨組織的再生與重建。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),本論文模擬自然骨組織的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑了兩種多巴胺改性生物大分子梯度支架材料。這兩種支架材料均具有規(guī)整的梯度孔結(jié)構(gòu),孔隙率較高,力學(xué)性能良好,降解周期適宜,具有優(yōu)異的礦化性能、藥物負(fù)載與釋放性能以及良好的細(xì)胞相容性、細(xì)胞粘附性和成骨活性,有望作為骨修復(fù)支架材料應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
【學(xué)位單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，包含了微米、納米等多種尺度，如圖 1-1 所示[44]。部的細(xì)胞密度由內(nèi)層向表層逐步增加，是一種由海綿質(zhì)向致密質(zhì)逐步變化的梯其中孔隙結(jié)構(gòu)致密部分為骨組織提供優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度，孔隙結(jié)構(gòu)疏松部分則能骨組織密度[45-47]。正由于這種特殊的層次結(jié)構(gòu)，賦予了自然骨堅(jiān)而韌的特性，物體內(nèi)能起到良好的支撐作用。因此，對(duì)于骨修復(fù)材料而言，結(jié)構(gòu)單一的非梯經(jīng)很難滿足骨組織重建、再生所需的生物特性[48]。一方面是由于其與自然骨結(jié)大，功能性相對(duì)單一；另一方面則是因?yàn)樵诠切迯?fù)過(guò)程中涉及到多種細(xì)胞的生，不同細(xì)胞所需的生理環(huán)境各不相同，對(duì)孔徑、孔隙率等的要求也存在一定的非梯度支架材料的生物特性單一，很難滿足不同細(xì)胞生長(zhǎng)所需的要求。度功能材料的發(fā)展為解決非梯度材料存在的問(wèn)題提供了可能。梯度功能材料具梯度結(jié)構(gòu)，與骨組織十分相似；結(jié)構(gòu)上的梯度也決定了梯度材料功能上的多樣性較好地滿足骨缺損修復(fù)在生物學(xué)和力學(xué)上所需的要求[50]；將梯度功能材料作為架可有效減少應(yīng)力屏蔽的發(fā)生，減少支架和周圍骨組織之間的剪切應(yīng)力[51]，從損骨組織的修復(fù)與重建。因而，構(gòu)筑與自然骨結(jié)構(gòu)、性能相似的功能梯度材料療骨缺損的有效途徑之一。

圖 2-1Alg-DA 的合成示意圖Fig.2-1 Schematic illustration of the synthesis of Alg-DA米粒子(PDA NPs)的制備

圖 2-4 LVFX 的標(biāo)準(zhǔn)曲線(n=5)Fig.2-4 The standard curve of levofloxacin (n=5)載浸泡在一定濃度的 LVFX 溶液中，并與空白對(duì)照組同時(shí)12 h，然后利用 UV-vis 測(cè)定 LVFX 溶液的吸光度，并利中 LVFX 的含量，進(jìn)而計(jì)算支架材料對(duì) LVFX 的負(fù)載量外釋放LVFX 的支架材料置于 20 mL 含有 2.5 mM CaCl2的 PBS器中震蕩一定的時(shí)間后，取適量上清液測(cè)定其吸光度，根FX 的釋放量，每組支架平行測(cè)試三次。細(xì)胞相容性測(cè)試提液：分別將 5 mg PDA/Alg-DA 梯度支架材料以及 AAlg-DA 均勻支架材料浸泡在 2 mL DMEM 培養(yǎng)液(含 10%5% CO2、95%濕度的無(wú)菌環(huán)境下浸提 36 h。

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