聚乳酸-乙醇共聚物(PLGA)仿生細(xì)胞外基質(zhì)的制備、表征及其與蛋白界面交互作用的研究.pdf

1、組織工程學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，它融合了工程學(xué)和生命科學(xué)的基本原理和方法，目的是在體外構(gòu)建一個(gè)有生物活性的種植體，植入體內(nèi)修復(fù)組織缺損，替代器官功能。其基本方法是將種子細(xì)胞在體外進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增，然后把擴(kuò)增的細(xì)胞與外源性細(xì)胞外基質(zhì)按一定比例混合，形成細(xì)胞-材料復(fù)合物。將該復(fù)合物植入組織或器官的病損部位，隨著時(shí)間的推移，生物材料在體內(nèi)逐漸降解，植入的細(xì)胞不斷增殖并且分泌越來(lái)越多的細(xì)胞外基質(zhì)，形成新的組織或器官，從而達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的

2、。在這個(gè)過(guò)程中，作為支架的生物材料不僅為細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝提供了有利的空間，也為植入的細(xì)胞分泌細(xì)胞外基質(zhì)并形成新組織或器官提供較好的環(huán)境?？梢?jiàn)，生物材料支架對(duì)組織再生有著舉足輕重的作用。因此要模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，必須找到合適的外源性材料，這是組織工程的關(guān)鍵。一般可生物降解和生物相容的生物材料制備的三維多孔支架能夠作為外源性細(xì)胞外基質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)和增殖，形成新的組織結(jié)構(gòu)并控制細(xì)胞表型。
　　 理想的外源性細(xì)胞外基

3、質(zhì)即人工細(xì)胞外基質(zhì)可以模擬天然組織中細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，也就是生物材料的仿生化，這將成為今后組織工程支架材料研究的熱點(diǎn)之一。本課題就從生物材料的仿生角度出發(fā)，成功地利用可生物降解和生物相容的合成材料聚乳酸/乙醇酸共聚物(PLGA)靜電紡，仿生細(xì)胞外基質(zhì)，并且具有良好生物相容性的多壁碳納米管(MWCNTs)的加入極大的提高了支架材料的機(jī)械性能。由于生物材料和體內(nèi)蛋白的交互作用，直接影響到細(xì)胞的黏附、增殖效應(yīng)，所以我們還使用和頻振動(dòng)光譜

4、(SFG)研究了PLGA膜和人血清蛋白(HSA)溶液界面間的交互作用。
　　 首先介紹了靜電紡絲的方法、原理、成絲的影響因素以及靜電紡納米纖維的廣泛應(yīng)用。之后采用體積比為3∶1的四氫呋喃(THF)和二甲基甲酰胺(DMF)作為紡絲溶劑，制備出了可生物降解和生物相容的PLGA靜電紡納米纖維氈。并且系統(tǒng)地研究了分子量、流速、紡絲電壓和成分對(duì)靜電紡PLGA納米纖維的形態(tài)和性能的影響。發(fā)現(xiàn)在一定的靜電紡工藝條件下，紡絲電壓的變化對(duì)納米纖維

5、的表面形態(tài)影響不大，而PLGA分子量和流速是影響靜電紡納米纖維形成串珠的重要因素。通過(guò)參數(shù)的優(yōu)化，靜電紡PLGA納米纖維氈能夠形成很好的表面形態(tài)。由于其具有大的表面體積比，所以顯示出比流延膜更高的孔隙率。另外，為了提高PLGA納米纖維氈的機(jī)械強(qiáng)度，把MWCNTs均勻分散到PLGA溶液中，按照優(yōu)化的工藝參數(shù)，成功地制備出直徑分布相對(duì)均勻的靜電紡PLGA/MWCNTs復(fù)合纖維氈。經(jīng)過(guò)力學(xué)性能測(cè)試，靜電紡PLGA/MWCNTs復(fù)合纖維氈顯示出

6、比純的PLGA纖維氈更優(yōu)越的機(jī)械性能。所以，靜電紡PLGA和PLGA/MWCNTs復(fù)合納米纖維氈可以作為開(kāi)發(fā)組織工程支架的新材料，這為后面的工作提供了很大幫助。
　　 由于PLGA/MWCNTs靜電紡納米纖維氈具有優(yōu)良的機(jī)械性能，所以對(duì)其做了生物相容性研究。使用兩種方法制備，分別得到多孔PLGA和PLGA/MWCNTs靜電紡納米纖維氈，孔徑為2μm和7μm的大孔PLGA和PLGA/MWCNTs流延膜。通過(guò)SEM圖像和MTT實(shí)驗(yàn),

7、發(fā)現(xiàn)在這兩種不同類型的支架上種植細(xì)胞，活力研究顯示細(xì)胞在所有支架上的黏附和增殖都要優(yōu)于玻片，而且含有MWCNTs的PLGA復(fù)合支架比其相應(yīng)的純PLGA支架更加趨于提高成纖維細(xì)胞的黏附、鋪展和增殖。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，靜電紡PLGA/MWCNTs納米纖維氈比與其相似組成的大孔膜呈現(xiàn)出較好的細(xì)胞增殖和生長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，MWCNTs具有良好的生物降解和生物相容性，而且提高了納米纖維氈的孔隙率，這使它們成為組織工程支架的最佳選擇。
　　

8、當(dāng)生物醫(yī)學(xué)材料作為植入體植入后，最先發(fā)生在生物材料與血液界面的行為便是蛋白吸附。接下來(lái)是生物材料與生物體的交互作用，包括細(xì)胞黏附，血凝等都要受初始蛋白吸附的性質(zhì)所影響和控制。由于細(xì)胞對(duì)材料的響應(yīng)是在蛋白吸附之后，蛋白吸附層將介入細(xì)胞與材料的作用。因此，評(píng)價(jià)一種植入生物材料是否被接受還是拒絕(是否生物相容)很大程度上取決于蛋白吸附。所以，研究PLGA膜和HSA生物大分子固、液界面的交互作用在指導(dǎo)生物材料設(shè)計(jì)方面具有重要的意義。本課題借助一

9、種表面敏感技術(shù)—和頻振動(dòng)光譜(SFG)先是比較了PLGA多層薄膜和旋轉(zhuǎn)鍍膜在空氣界面的信號(hào)區(qū)別，然后在表面分別做蛋白吸附，原子力顯微鏡(AFM)顯示蛋白吸附后均勻排列，且PLGA膜的表面親水性增強(qiáng)。此外，選定合適的pH值和濃度，也第一次比較了固、液界面，HSA大分子在生物材料PLGA膜上的物理吸附和化學(xué)鍵合的不同，通過(guò)擬合和計(jì)算，成功得到了HSA大分子在PLGA表面的取向角范圍，即旋轉(zhuǎn)角和傾斜角。這為今后準(zhǔn)確計(jì)算出HSA大分子的取向角奠