基于電紡納米纖維的仿骨組織工程支架材料的研究.pdf

1、在近二十年里骨組織工程支架材料由于在骨修復(fù)治療應(yīng)用的巨大潛力而成為全世界的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。為此人們開發(fā)了多種骨組織工程支架材料的制備方法。但是如何解決骨組織工程支架材料要求的高孔隙率與高機(jī)械強(qiáng)度之間的矛盾仍然是一個(gè)棘手的問題。而在自然界，天然骨具有很高的孔隙率和力學(xué)強(qiáng)度，這是由于天然骨單元是由羥基磷灰石納米桿與膠原蛋白納米纖維復(fù)合組成的取向排列纖維構(gòu)成。因此本論文的目的是通過將羥基磷灰石納米桿引入取向電紡納米纖維薄膜中模仿天然骨的結(jié)構(gòu)

2、從而制備出具有良好生物相容性和生物力學(xué)性能的骨組織工程支架材料。
　　 本論文在本研究小組前期工作基礎(chǔ)上，對(duì)液相-固相-溶液相制備納米粒子方法進(jìn)行改進(jìn)，通過膠體金參考體系制備了不同尺寸的和分散性改進(jìn)的羥基磷灰石納米桿。通過所制備樣品紅外表征結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)羥基磷灰石紅外圖譜對(duì)比，證實(shí)了制備材料為羥基磷灰石。透射電鏡表征結(jié)果表明反應(yīng)溫度為90℃時(shí)，制備的羥基磷灰石納米桿的長(zhǎng)度(L)為111±24nm，直徑(D)為10±2.7nm；反應(yīng)溫

3、度為120℃時(shí)，制備的羥基磷灰石納米桿的長(zhǎng)度(L)為212±32nm，直徑(D)為12±2.9nm；反應(yīng)溫度為180℃時(shí)，制備的羥基磷灰石納米桿的長(zhǎng)度(L)為189±30nm，直徑(D)為18±3.8nm。
　　 本論文利用靜電紡絲技術(shù)分別制備了無取向的和取向的納米纖維薄膜，掃描電鏡表征分析表明制備的納米纖維比較均勻。偏振紅外結(jié)果表明聚乳酸分子鏈和羥基磷灰石優(yōu)先沿平行納米纖維軸方向排列，透射電鏡表征表明大部分羥基磷灰石納米桿分布

4、在納米纖維內(nèi)部并且優(yōu)先沿納米纖維軸方向排列，羥基磷灰石納米桿在納米纖維中存在明顯的團(tuán)聚，且隨著羥基磷灰石納米桿含量的增加，團(tuán)聚進(jìn)一步加重。
　　 本論文對(duì)所制備的電紡薄膜進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明取向電紡薄膜沿平行納米纖維軸方向的拉伸強(qiáng)度(57.36±5.23MPa)高于無取向電紡薄膜拉伸強(qiáng)度(43.05±2.56MPa)；納米纖維的平均直徑對(duì)所制備的復(fù)合納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度影響較小，而納米纖維中羥基磷灰石納米桿的尺寸對(duì)制備的復(fù)

5、合納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度有顯著影響：通過將在反應(yīng)溫度分別為90℃(L：111±24nm，D：10±2.7nm)，120℃(L：212±32nm，D：12±2.9nm)，180℃(L:189±30nm，D：18±3.8nm)下制備的不同尺寸的羥基磷灰石納米桿引入納米纖維中制備的復(fù)合納米纖維薄膜的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：復(fù)合納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度分別為66.14±5.3MPa，75±2.59MPa和53.31±2.76MPa；復(fù)合納米纖維薄膜的拉

6、伸模量分別為96.91±4.34MPa，266.26±21MPa和131.41±14.76MPa。這說明細(xì)長(zhǎng)的納米桿更能增強(qiáng)復(fù)合納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，這可能是由于細(xì)長(zhǎng)納米桿與聚乳酸高分子間作用力更強(qiáng)的原因。另外可以發(fā)現(xiàn)納米纖維中羥基磷灰石納米桿含量對(duì)復(fù)合納米纖維薄膜拉伸強(qiáng)度的影響也很明顯：不含羥基磷灰石納米桿的復(fù)合納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度是57.36±5.23Mpa，含10wt％羥基磷灰石納米桿的復(fù)合納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度是7

7、2.32±6.72MPa，含20wt％羥基磷灰石納米桿的復(fù)合納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度是75±2.59MPa，含40wt％羥基磷灰石納米桿的復(fù)合納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度是53.38±0.98MPa。根據(jù)紅外光譜和透射電鏡表征結(jié)果進(jìn)一步解釋這個(gè)現(xiàn)象，大部分羥基磷灰石納米桿位于納米纖維的內(nèi)部并且沿納米纖維軸方向排列，這種結(jié)構(gòu)和骨結(jié)構(gòu)類似，從而羥基磷灰石納米桿與聚乳酸分子能夠形成較強(qiáng)的相互作用，因此可以有效提高復(fù)合納米纖維薄膜的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)羥基磷灰

8、石納米桿的濃度增大但還沒有出現(xiàn)過度的團(tuán)聚時(shí)，復(fù)合納米纖維薄膜的拉伸強(qiáng)度繼續(xù)提高。而當(dāng)復(fù)合納米纖維薄膜中羥基磷灰石納米桿的含量增至40wt％時(shí)羥基磷灰石納米桿團(tuán)聚過于嚴(yán)重將降低其與高分子間的作用力從而降低整個(gè)復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度。而且羥基磷灰石納米桿的分布不均也使得納米纖維中局部缺少高分子材料和/或缺少HA納米桿從而限制了復(fù)合納米纖維薄膜整體機(jī)械強(qiáng)度的提高，此外，由于HA納米桿團(tuán)聚及分布不均還會(huì)導(dǎo)致納米纖維的嚴(yán)重變形即部分納米纖維片段細(xì)化并

9、因此影響復(fù)合納米纖維薄膜的整體機(jī)械強(qiáng)度。這些會(huì)在高含量HA納米桿的復(fù)合納米纖維薄膜中顯現(xiàn)其效果。而且由于在所有復(fù)合納米纖維薄膜中HA納米桿分布不均并且團(tuán)聚都較為明顯，因此HA納米桿的增強(qiáng)作用還不是十分突出。這表明通過降低團(tuán)聚及提高分布均勻性人們還將能夠進(jìn)一步有效提高復(fù)合納米纖維薄膜的整體機(jī)械強(qiáng)度。
　　 本論文對(duì)制備的電紡薄膜進(jìn)行了蛋白質(zhì)吸附實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)從而研本論文對(duì)制備的電紡薄膜進(jìn)行了蛋白質(zhì)吸附實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)從而研究

10、電紡薄膜的生物相容性。通過紫外法，紅外法對(duì)所制備的電紡薄膜進(jìn)行蛋白吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)電紡薄膜的纖維直徑從700-1000nm降低為400-600nm和300-500nm時(shí)，電紡薄膜對(duì)于免疫球蛋白(IgG)，白蛋白(Alb)，纖維蛋白(Fib)這三種蛋白的吸附量均增大。蛋白吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電紡薄膜的接觸角實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合：隨著纖維直徑的降低，電紡薄膜的接觸角增大。對(duì)于纖維直徑更小的薄膜，表面能的影響和更高的比表面積增大了蛋白的吸附。另外發(fā)現(xiàn)

11、Alb與Fib的比值RA/F和Alb與IgG的比值RA/I(用于評(píng)價(jià)材料的凝血性能)隨纖維直徑的降低而增大。而RA/F和RA/I的增大會(huì)改善材料的血液相容性，因此我們可以通過簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)納米纖維的直徑從而制備出具有不同凝血性能的材料，這對(duì)生物材料的研制具有指導(dǎo)意義。電紡薄膜與小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)研究表明，細(xì)胞可以在電紡薄膜表面粘附生長(zhǎng)，而且取向纖維可以誘導(dǎo)細(xì)胞取向生長(zhǎng)；MTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著纖維直徑從567±208nm增大到860±