本文關(guān)鍵詞：膠原模擬多肽-PEG雜化水凝膠的構(gòu)建及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究

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【摘要】：膠原是生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域最常見的天然高分子之一,在組織再生修復(fù)、藥物遞送方面有著極為廣泛的應(yīng)用。膠原基生物材料生物相容性好、生物活性高,并且能夠生物降解,然而天然膠原也存在質(zhì)量可控性差、難以進(jìn)行可控修飾以及具有潛在免疫原性等缺陷,因而有必要發(fā)展具有生物活性的人工類膠原生物材料。膠原模擬多肽(CMPs)是一種人工合成的膠原模型分子,被用于膠原特征結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制和性能研究、膠原相關(guān)的疾病研究以及發(fā)展膠原替代材料。本文以膠原模擬多肽和多臂PEG-MAL為原料制備了一類成分明確,結(jié)構(gòu)可控的膠原模擬多肽-PEG雜化水凝膠,并以此作為膠原基水凝膠的替代材料研究了膠原模擬多肽-PEG雜化水凝膠在細(xì)胞3D培養(yǎng)、生物礦化、蛋白藥物局部遞送方面的應(yīng)用。利用巰基和馬來酰亞胺反應(yīng)將帶有半胱氨酸的膠原模擬多肽偶聯(lián)至多臂(4/8)PEG-MAL末端,膠原模擬多肽在自組裝形成三螺旋構(gòu)象過程中可以形成高分子間的物理交聯(lián),從而得到三維的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此制備方法室溫即可完成,有利于保持生物大分子和被包載細(xì)胞的活性。流變學(xué)研究表明,水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度可以通過前體濃度、PEG臂數(shù)調(diào)節(jié)。本研究將膠原模擬多肽-PEG雜化水凝膠固定于Millicell細(xì)胞培養(yǎng)小室,用于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)的3D培養(yǎng)。LIVE/DEAD染色顯示,細(xì)胞包被后活力保持良好。實(shí)驗(yàn)考察了3D培養(yǎng)環(huán)境以及IGF-1、BMP3對(duì)BMSCs基因表達(dá)(COL1A2、COL2A1、BMP2、MMP13)的影響。本研究條件下,IGF-1、BMP3對(duì)BMSCs基因表達(dá)的調(diào)控并不明顯；另一方面,3D培養(yǎng)可以下調(diào)COL1A2表達(dá),這表明3D培養(yǎng)可能具有抑制BMSCs在軟骨分化過程中產(chǎn)生肥大表型的作用。本研究還證明含GEK序列的膠原模擬多肽可以通過賴氨酸殘基的氧化作用產(chǎn)生交聯(lián),此過程亦見于膠原的生物合成。骨組織是羥基磷灰石(HA)在類似膠原的水凝膠基質(zhì)上通過生物礦化形成的,因而水凝膠是體外礦化研究的理想模型。本研究構(gòu)建了一個(gè)雙擴(kuò)散裝置研究磷酸鈣不同物相在膠原模擬多肽-PEG雜化水凝膠中的礦化。在模擬生理pH條件下,礦化1天時(shí)的產(chǎn)物既有二水磷酸二鈣(DCPD),又有HA；礦化3天以上產(chǎn)物只有HA；以上結(jié)果說明實(shí)驗(yàn)中得到的HA是通過DCPD前體經(jīng)由相轉(zhuǎn)化過程形成的。需要說明的是,實(shí)驗(yàn)所得HA晶體呈現(xiàn)典型的介晶(mesocrystal)特征,是一種新型的功能材料。礦化pH為6.0、7.0、7.4、8.0時(shí),礦化產(chǎn)物分別為DCPD、DCPD+HA、HA和HA。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,腎結(jié)石病人的尿液pH常常因用藥或感染而呈波動(dòng)狀態(tài),而DCPD、HA則是磷酸鈣結(jié)石的主要成分,本研究所構(gòu)建的水凝膠可望作為生物礦化的模型用于研究腎結(jié)石的病理發(fā)生機(jī)制。本研究將膠原模擬多肽-PEG雜化水凝膠作為藥物載體用于蛋白藥物的局部遞送系統(tǒng)。通過葡聚糖藍(lán)釋放實(shí)驗(yàn),流變學(xué)檢測(cè)和冷凍掃描電鏡觀察,比較了PBS體系制備的水凝膠與純水體系制備的水凝膠在穩(wěn)定性、溶蝕行為方面的差異,前者凝膠化速度太快,因而存在異質(zhì)性,穩(wěn)定性、溶蝕行為等性能劣于純水體系制備的水凝膠。以肌紅蛋白作為模型藥物研究膠原模擬多肽-PEG雜化水凝膠的蛋白釋放行為,并用Ritger-Peppas方程擬合釋放曲線,結(jié)果顯示：肌紅蛋白通過Fickian擴(kuò)散和表面溶蝕兩種機(jī)制進(jìn)入釋放介質(zhì)。本研究還發(fā)現(xiàn)牛血清白蛋白(BSA)與水凝膠網(wǎng)絡(luò)可能存在相互作用,進(jìn)而豐富了水凝膠的蛋白釋放行為。綜上所述,本文構(gòu)建的膠原模擬多肽-PEG雜化水凝膠可望作為膠原基水凝膠的替代材料用于細(xì)胞3D培養(yǎng)、生物礦化、蛋白藥物局部遞送等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
【學(xué)位授予單位】：北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R318.08
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本文編號(hào)：1221627