靜電紡絲制備膠原蛋白-殼聚糖納米纖維仿生細胞外基質(zhì).pdf

1、組織工程是一種將細胞生物學和材料學相結(jié)合形成的新興生物醫(yī)學技術(shù)。目的是通過活細胞再生天然組織去代替缺損的組織或器官。方法是在外源性細胞外基質(zhì)(ECMs)中種植細胞組成復合物，在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)擴增，在體外形成新組織后植入患者體內(nèi)，與組織整合構(gòu)建新的組織。作為一種再生治療，它不存在器官移植中存在的供體短缺和免疫處理等問題，也不存在人造生物材料的生物相容性差的問題。這些優(yōu)點無疑會使其在21世紀醫(yī)學發(fā)展中的占有重要地位。組織工程的關(guān)鍵也是具有

2、挑戰(zhàn)性的一步就是找到合適的外源性細胞外基質(zhì)來模擬天然組織中的細胞外基質(zhì)分子的功能。這種外源性細胞外基質(zhì)就是由生物相容性良好和可生物降解的生物材料制備的三維多孔支架。設(shè)計外源性ECMs的最佳方法就是仿生，即模仿天然組織中ECMs分子的結(jié)構(gòu)與功能，將天然ECMs作為支架使細胞聚集而構(gòu)建組織，控制組織結(jié)構(gòu)并調(diào)控細胞表型。
　　 本課題就是從仿生角度出發(fā)，首次通過對生物相容性良好的天然材料膠原蛋白和殼聚糖的靜電紡絲來從組分和結(jié)構(gòu)上仿生天

3、然細胞外基質(zhì)。首先介紹了靜電紡絲的發(fā)展、方法、成絲理論、成絲影響因素以及靜電紡纖維的廣闊應(yīng)用前景。通過實驗為膠原蛋白-殼聚糖靜電紡絲找到了合適的溶劑，即體積比為9/1的六氟異丙醇/三氟乙酸混合溶劑，第一次制備出了膠原蛋白-殼聚糖靜電紡納米纖維。研究了一些紡絲參數(shù)(紡絲電壓、給液速率、紡絲距離)，紡絲液濃度和殼聚糖/膠原蛋白不同配比對紡絲結(jié)果的影響。發(fā)現(xiàn)隨著紡絲電壓的增大和共混體系中殼聚糖含量的增加，靜電紡納米纖維的直徑總的來說呈減小趨勢

4、；隨著給液速率的增加和紡絲液濃度的增加，靜電紡纖維的直徑呈增加趨勢。但當殼聚糖所占比重過大時，紡絲過程比較難控制。隨著紡絲距離的增加，靜電紡納米纖維的直徑總的來說略微有些增加。通過實驗還收集到了膠原蛋白-殼聚糖共混靜電紡纖維單絲及纖維束，這將對進一步的研究靜電紡纖維的性能提供很大幫助。
　　 對不同殼聚糖含量的膠原蛋白-殼聚糖共混靜電紡纖維的性能進行了研究。通過紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)膠原蛋白和殼聚糖分子間存在一定的相互作用。X射線衍

5、射分析顯示，在靜電紡絲以后，纖維的物相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，靜電紡纖維更趨向于無定型態(tài)。TG和DSC分析顯示了靜電紡纖維的熱穩(wěn)定情況，并且DSC分析進一步驗證了膠原蛋白和殼聚糖分子間相互作用的存在。通過對纖維單絲和纖維膜力學性能的分析，發(fā)現(xiàn)隨共混體系中殼聚糖含量的變化，其力學性能也發(fā)生變化。纖維單絲的力學性能也進一步驗證了膠原蛋白和殼聚糖分子間相互作用的存在。靜電紡纖維膜的孔隙率和表面親水性隨共混組分中殼聚糖含量的增加而增加。
　　 膠

6、原蛋白-殼聚糖靜電紡納米纖維耐水性差，在水溶液中由于有一定的水溶性而難以保持其納米纖維的形態(tài)，同時，其力學性能也不足夠強，為了提高膠原蛋白-殼聚糖靜電紡纖維的耐水性及其力學性能，用戊二醛蒸氣作交聯(lián)劑，在密閉干燥器中通過戊二醛蒸氣揮發(fā)對膠原蛋白-殼聚糖共混靜電紡纖維膜進行了交聯(lián)，并對其性能進行了研究。選擇合適的交聯(lián)時間為2天，掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)交聯(lián)后的纖維膜在37℃的去離子水中浸泡4天后依然可以保持良好的纖維形態(tài)，交聯(lián)效果明顯。但由于膠原蛋

7、白和殼聚糖的一些主要官能團相同，交聯(lián)后的紅外光譜特征峰位置并沒有什么變化，通過紅外光譜特征峰觀察不出膠原蛋白和殼聚糖分子間交聯(lián)特征峰的出現(xiàn)。X射線衍射顯示，交聯(lián)之后的膠原蛋白-殼聚糖共混靜電紡纖維依然保持一種無定型相。TG和DSC分析顯示交聯(lián)后的纖維膜的熱穩(wěn)定性有一定的提高。研究了交聯(lián)后纖維膜的干濕態(tài)力學性能，并對纖維膜交聯(lián)前后的力學性能及干濕態(tài)的力學性能進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)以后纖維膜的平均斷裂強度都有不同程度的提高；而平均斷裂延

8、伸度除了純膠原蛋白和純殼聚糖纖維膜的增加之外，共混體系纖維膜的平均斷裂延伸度都減??；交聯(lián)靜電紡濕態(tài)纖維膜的斷裂延伸度都比干態(tài)膜的斷裂延伸度有不同程度的提高，但平均斷裂強度則相反，所有濕態(tài)纖維膜的斷裂強度比干態(tài)膜的斷裂強度都有不同程度的降低。
　　 細胞與基質(zhì)材料的相互作用是組織工程研究的一個重要領(lǐng)域。本研究從細胞黏附、鋪展、增殖、細胞形態(tài)等方面著手，對豬的髖動脈內(nèi)皮細胞、小鼠的心肌主動脈平滑肌細胞與膠原蛋白-殼聚糖靜電紡纖維材料

9、的細胞相容性進行了研究，并和蓋玻片和細胞培養(yǎng)板的細胞相容性做了比較，得出以下結(jié)論。
　　 (1)MTT法測定細胞黏附情況的結(jié)果表明，chitosan、ch-co-2-8和ch-co-5-5的細胞黏情況都比較好，細胞黏附量都比細胞培養(yǎng)板高，而ch-co-8-2和collagen則相對差一些。
　　 (2)MTT法測定細胞增殖能力的結(jié)果表明，無論是對內(nèi)皮細胞還是平滑肌細胞，也是材料ch-co-2-8、chitosan和ch-

10、co-5-5上面的細胞增殖活力比較強，這些材料上的細胞增殖能力比細胞培養(yǎng)板上的強，而ch-co-8-2和collagen則比較差。
　　 (3)SEM顯示細胞可以進入纖維膜內(nèi)部孔隙，進行立體遷移生長。
　　 出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因，則可能是因為除了材料的組分對細胞的黏附和增殖有很大的影響外，孔隙率也是一個很重要的因素。同時分析了材料的表面形貌、孔徑及孔隙率、表面自由能、表面親疏水性質(zhì)、表面電荷性能以及表面生物活性等因素對細胞