基于明膠和殼聚糖復(fù)合靜電紡納米纖維制備小血管組織工程支架及其機(jī)械性能研究.pdf

1、組織工程學(xué)是一門將細(xì)胞生物學(xué)和材料學(xué)相結(jié)合的新興學(xué)科。組織工程學(xué)通過將種子細(xì)胞種植于支架材料上，并在體外培養(yǎng)增殖，在形成新的組織后植入受損部位，從而達(dá)到修復(fù)和重建原人體組織結(jié)構(gòu)和功能的目的。因此在組織工程中關(guān)鍵一步是提供這樣一種支架材料。理想的組織工程支架應(yīng)仿生天然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能，并有良好的生物相容性和適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。
　　本課題從仿生的角度出發(fā)，基于明膠和殼聚糖靜電紡納米纖維，從組成和結(jié)構(gòu)上仿生天然細(xì)胞外基質(zhì)。首先

2、選擇合適的溶液體系，將明膠和殼聚糖靜電紡成納米纖維，并系統(tǒng)地研究該復(fù)合納米纖維的各項(xiàng)性能，包括表面形態(tài)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和熱學(xué)性能。結(jié)果表明，明膠和殼聚糖復(fù)合納米纖維的平均直徑低于兩種組分單紡纖維的平均直徑，并隨著溶液濃度的增加，復(fù)合納米纖維的平均直徑亦增加;紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)明膠和殼聚糖分子之間相互形成氫鍵。X射線衍射分析顯示，明膠和殼聚糖溶解后，物相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，更趨向于無定型態(tài)，靜電紡過程對(duì)材料的結(jié)晶性沒有影響。TG和D

3、SC分析顯示了明膠和殼聚糖的熱穩(wěn)定性情況。隨著殼聚糖含量的增加，復(fù)合納米纖維的斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變均降低。
　　因?yàn)槊髂z和殼聚糖靜電紡納米纖維膜遇水即溶，為了提高復(fù)合納米纖維膜的穩(wěn)定性，因此用戊二醛作為交聯(lián)劑，在密閉干燥器中通過戊二醛蒸氣揮發(fā)對(duì)復(fù)合納米纖維膜進(jìn)行交聯(lián)。探索最佳的交聯(lián)時(shí)間，并研究戊二醛與明膠和殼聚糖以及其復(fù)合物的交聯(lián)機(jī)理。結(jié)果表明，最佳的交聯(lián)時(shí)間為3天;交聯(lián)后，明膠和殼聚糖復(fù)合納米纖維膜在37℃去離子水中浸泡4天后仍能

4、保持其纖維結(jié)構(gòu);通過紅外分析研究戊二醛的交聯(lián)機(jī)理，殼聚糖與戊二醛的交聯(lián)反應(yīng)，主要是自由氨基與戊二醛的醛基之間反應(yīng)生成Schiff堿(C=N)，乙?；螻原子帶有孤對(duì)電子，與戊二醛發(fā)生親核反應(yīng)，另外殼聚糖的羥基與戊二醛的羰基之間發(fā)生縮醛化反應(yīng)。明膠中含有少量的具有氨基的賴氨酸和精氨酸，主要是它們的自由氨基與戊二醛的醛基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。明膠和殼聚糖的復(fù)合物與戊二醛的交聯(lián)反應(yīng)，主要是自由氨基與戊二醛的醛基之間反應(yīng)，生成亞胺，即Schiff堿，同

5、時(shí)殼聚糖的羥基與戊二醛的羰基之間發(fā)生縮醛化反應(yīng)。交聯(lián)后，復(fù)合納米纖維膜的平均斷裂伸長率稍有下降，而平均斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度的增加。細(xì)胞在不同比例的明膠和殼聚糖復(fù)合材料上都能很好地黏附;內(nèi)皮細(xì)胞的增殖實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮細(xì)胞在納米纖維膜上保持一個(gè)較高的增殖能力，當(dāng)明膠和殼聚糖復(fù)合比例為50/50時(shí)，細(xì)胞增殖最多。細(xì)胞可以在材料上很好黏附和增殖，也說明戊二醛蒸氣交聯(lián)的毒性很低。
　　雖然交聯(lián)后，明膠和殼聚糖復(fù)合納米纖維膜的力學(xué)性能有很大改善

6、，但是斷裂伸長率很低，力學(xué)性能較脆，不適合單獨(dú)用作血管組織支架。因此混入合成材料聚己內(nèi)酯，可以結(jié)合天然材料和合成材料的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出適合的組織工程支架。系統(tǒng)地研究該共混體系的靜電紡納米纖維表面形態(tài)、結(jié)晶性能、熱性能、力學(xué)和親疏水性能。掃描電鏡結(jié)果顯示，明膠和殼聚糖復(fù)合物的引入降低了聚己內(nèi)酯的直徑。通過差示掃描量熱分析測(cè)試和X射線衍射分析測(cè)試發(fā)現(xiàn)聚己內(nèi)酯與明膠和殼聚糖復(fù)合物是簡(jiǎn)單的物理共混，這樣能結(jié)合天然材料和合成材料的優(yōu)點(diǎn)，有望得到生物相

7、容性好，又具有很強(qiáng)機(jī)械性能的納米纖維材料以構(gòu)建血管組織工程支架材料。接觸角實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)純聚己內(nèi)酯纖維膜具有一個(gè)疏水性的表面，隨著明膠和殼聚糖復(fù)合物組分的增加，納米纖維膜的親水性逐漸增加，但是當(dāng)聚己內(nèi)酯的含量在50％和25％時(shí)，靜電紡納米纖維表面出現(xiàn)溶解現(xiàn)象。再結(jié)合共混纖維膜的力學(xué)性能，當(dāng)聚己內(nèi)酯的含量為75％時(shí)，靜電紡納米纖維膜既有一定的強(qiáng)度，又具有良好的延伸性，因此選擇該比例作進(jìn)一步研究，并表示為PCL/CS-Gel?？讖酱笮〖胺植紲y(cè)試實(shí)

8、驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孔徑的大小與纖維的直徑直接相關(guān)，纖維越細(xì)，孔徑越小。對(duì)豬的髖動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞在共混納米纖維膜上的黏附、增殖和細(xì)胞形態(tài)進(jìn)行了研究，并和蓋玻片和細(xì)胞培養(yǎng)板的細(xì)胞相容性做了對(duì)比。MTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)皮細(xì)胞在靜電紡納米纖維上的黏附量高于對(duì)照組蓋玻片上的細(xì)胞量，而且PCL/CS-Gel靜電紡納米纖維膜上的細(xì)胞黏附量也高于PCL纖維膜上的細(xì)胞量。增殖實(shí)驗(yàn)中，細(xì)胞培養(yǎng)板(TCP)上的細(xì)胞增殖量最高，PCL/CS-Gel納米纖維膜比PCL上的細(xì)胞

9、增殖量高。從掃描電鏡照片上，可以觀察到24h后，PCL/CS-Gel納米纖維膜上的細(xì)胞量明顯多于PCL和蓋玻片上的細(xì)胞量，細(xì)胞在納米纖維膜的表面呈多角的遷移態(tài)分布，保持著分化、增殖的形態(tài)。鑒于PCL/CS-Gel具有良好的力學(xué)性能，同時(shí)具有良好的細(xì)胞相容性，因此選用于靜電紡制管狀支架。
　　最后對(duì)PCL、PCL/CS-Gel靜電紡管狀支架以及靜電紡與外層編織PLLA長絲復(fù)合管狀支架的尺寸穩(wěn)定性、徑向力學(xué)性能、疲勞性和順應(yīng)性做了系統(tǒng)

10、地研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PCL/CS-Gel靜電紡管狀支架的徑向斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率比PCL低，外層編織PLLA長絲后，力學(xué)性能有顯著提高。三種管狀支架在浸泡三個(gè)月后，直徑和厚度變化很小，說明三種管狀支架都具有良好的尺寸穩(wěn)定性。疲勞一定時(shí)間后，不同管狀支架的徑向力學(xué)性能斷裂伸長率均有所降低。明膠和殼聚糖復(fù)合物的引入提高了聚己內(nèi)酯靜電紡管狀支架的順應(yīng)性，在外層編織PLLA長絲后順應(yīng)性略有所降低。在浸泡三個(gè)月后，PCL靜電紡管狀支架的斷裂強(qiáng)度能保

11、持原來的77％，斷裂伸長率沒有顯著性差異;PCL/CS-Gel靜電紡管狀支架的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率均顯著降低，而在外層編織PLLA長絲后，復(fù)合管狀支架在三個(gè)月后的徑向力學(xué)性能達(dá)到人體動(dòng)脈徑向力學(xué)性能的要求（動(dòng)脈、肺動(dòng)脈瓣和肌肉動(dòng)脈），說明外層的編織結(jié)構(gòu)對(duì)增強(qiáng)靜電紡管狀支架的力學(xué)性能有著積極的意義。
　　本文基于明膠和殼聚糖以及合成材料聚己內(nèi)酯共混靜電紡成納米纖維，從組成和結(jié)構(gòu)上仿生天然細(xì)胞外基質(zhì)，同時(shí)具有良好的生物相容性，因此用作