基于新型PEG衍生物共聚改性聚乳酸的骨再生材料的研究.pdf

1、骨組織工程為廣大骨病患者提供了新的途徑和希望。其中組織再生支架材料的設(shè)計是骨組織工程成功的關(guān)鍵，通常要求它滿足一定的力學(xué)強(qiáng)度、可控的降解性能和合理的表面誘導(dǎo)細(xì)胞增殖分化及組織再生。然而，目前很少有材料能同時具備以上性能。本研究的目的是設(shè)計一種新型的骨組織工程材料，使其集可控降解性能、一定的力學(xué)強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)挠H水性能及可功能化的表面等性能于一身?；赑EG衍生物聚(乙二醇-co-均苯四甲酸酐)亞胺(PAPI)與D，L-丙交(D，L-LA)酯

2、共聚，制備了一系性能可調(diào)的PAPI-PDLLA新型共聚物。采用核磁共振(NMR)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)、凝膠色譜-十八角激光散射儀(GPC-MALLS)、紫外可見光譜儀(UV)、示差掃描量熱儀(DSC)、X光電子能譜(XPS)、掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)等對共聚物的化學(xué)物理性能進(jìn)行了表征；詳細(xì)考察了PAPI-PDLLA共聚物的親/疏水性、體外生物降解性能、力學(xué)性能(拉伸性能和壓縮性能)，以及降解過程中的力學(xué)性

3、能變化；對PAPI-PDLLA共聚物的表面進(jìn)行了氨基和羥基功能化研究；最后，評價了PAPI-PDLLA共聚物及表面功能化材料的體外細(xì)胞生物相容性。研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　 1.較低分子量的氨基封端的PEG(ATPEG，Mr：900)與均苯四甲酸酐(PMDA)通過高溫縮聚反應(yīng)合成出新型PEG衍生物P(ATPGE-co-PMDA)(PAPI)。在合成條件的優(yōu)化實驗中，考察了單體比例、溫度、反應(yīng)時間等對聚合物分子量的影響和反應(yīng)

4、過程中酰亞胺化的程度等；該衍生物通過苯酰亞胺環(huán)連接，酰亞胺環(huán)的引入為開環(huán)功能接枝提供了條件，研究了丁二胺、乙醇胺與PAPI中酰亞胺環(huán)反應(yīng)的能力；對所有合成的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。
　　 ①FTIR、1H NMR、13C NMR、GPC-MALLA和UV檢測結(jié)果表明，ATPEG與PMDA成功聚合，ATPEG的微過量使得合成的PAPI端部具有氨基。當(dāng)二者的摩爾比ATPEG/PMDA=1.05時，在設(shè)定的梯度高溫溫度下反應(yīng)完成后，酰亞胺

5、化基本完全，所獲得的聚合物分子量較大，聚合物分散系數(shù)較低。熱重分析表明PAPI相對于PEG的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。
　　 ②FTIR表明，PAPI中酰亞胺環(huán)在室溫?zé)o催化劑下成功與丁二胺和乙醇胺反應(yīng)，可能為接枝功能基團(tuán)提供反應(yīng)位點(diǎn)。
　　 ③在與丁二胺反應(yīng)時，發(fā)生了交聯(lián)，快速產(chǎn)生了凝膠，該凝膠具有一定的力學(xué)強(qiáng)度和多孔性，有望應(yīng)用于藥物釋放或組織工程領(lǐng)域。
　　 2.PAPI和辛酸亞錫共引發(fā)體系引發(fā)D，L-丙交酯開環(huán)，合成了

6、一系列PAPI-PDLLA共聚物，研究了PAPI/D，L-丙交酯、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等對PAPI-PDLLA共聚物分子量的影響，并表征了其化學(xué)結(jié)構(gòu)和熱性能。
　　 ①FTIR、1H NMR、13C NMR和GPC-MALLS的結(jié)果表明，PAPI的端氨基和辛酸亞錫共引發(fā)體系成功引發(fā)丙交酯開環(huán)，制備了PAPI-PDLLA共聚物，最佳反應(yīng)時間為36小時，反應(yīng)溫度為150℃。
　　 ②通過調(diào)節(jié)PAPI與D，L-丙交酯的物料比，可

7、以制備一系列不同分子量和性能的共聚物，通過1H NMR計算了接枝的聚乳酸的量；隨著PAPI/D，L-丙交酯比例的增加，接枝的聚乳酸分子量下降。
　　 ③DSC結(jié)果表明，PAPI-PDLLA共聚物只有一個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這表明兩相熱相容性良好，隨著PAPI所占比例的增加，玻璃化溫度下降。熱重分析結(jié)果表明，PAPI-PDLLA出現(xiàn)兩個明顯分解溫度，首先是PDLLA嵌段分解，然后是PAPI的分解，通過熱重分析可以得出兩嵌段的質(zhì)量比。<

8、br>　　 3.研究了PAPI-PDLLA共聚物的親/疏水性能和降解性能。親/疏水性能采用材料表面靜態(tài)水接觸角和整體吸水率兩種方法來評價；通過失重率、分子量變化、pH值變化和降解后樣品表面形貌的變化等來評價材料的降解性能。
　　 ①親/疏水性能測試結(jié)果表明，PAPI-PDLLA共聚物的靜態(tài)水接觸角均小于PDLLA，吸水率都大于PDLLA，且隨著共聚物中親水嵌段PAPI比重的增加，親水性能增加。
　　 ②PAPI-PDL

9、LA共聚物的體外降解實驗表明，PAPI-PDLLA系列樣品在降解前五周的失重、分子量下降及pH值變化相對于PDLLA對照組都要快些，但在整個降解過程中發(fā)現(xiàn)，PDLLA由于降解過程中酸性積累導(dǎo)致的自催化作用引起了陡降現(xiàn)象，而在PAPI-PDLLA系列材料中，降解速率較為可控，降解的失重率的自然對數(shù)與時間經(jīng)擬合，發(fā)現(xiàn)符合假一級動力學(xué)模型Mnmolecular，沒有陡降現(xiàn)象產(chǎn)生。這是由于親水嵌段PAPI的引入，加速了降解的酸性小分子的擴(kuò)散，沒

10、有導(dǎo)致材料明顯的自催化降解作用。通過降解后的掃描電鏡顯示，PDLLA會產(chǎn)生局部不均勻降解，而PAPI-PDLLA共聚物的降解表面較為均一。因此，相對于PDLLA，材料的降解可控性能提高。
　　 4.采用拉伸和壓縮測試考察了材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明，共聚物都具有一定的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，并且強(qiáng)度隨著PAPI/D，L-丙交酯的物料比減少而增加，而斷裂伸長率隨著PAPI/D，L-丙交酯的物料比的增加而顯著增加。合成的共聚物拉伸模量在4

11、8-280MPa之間。壓縮模量在108-780MPa之間，與松質(zhì)骨的壓縮模量較為匹配。隨著材料的降解，材料的力學(xué)強(qiáng)度逐漸損失，且隨著PAPI在共聚物中占的比重提高，力學(xué)損失加速，PAPD4/15(即PAPI-PDLLA中PAPI/D，L-LA=4/15)降解四周后，拉伸性能幾乎全部損失，而PAPD4/25僅損失了20％左右。
　　 5.采用濕法化學(xué)法，在PAPI-PDLLA共聚物膜表面引入了氨基和羥基，采用XPS、比色法、AFM

12、等方法定性定量表征了材料表面接枝的氨基和羥基。在無催化劑、常溫等反應(yīng)條件下，在材料表面易引入氨基和羥基，這為后續(xù)的材料表面活性分子接枝提供了基礎(chǔ)。PAPD4/15-BDA材料表面接枝的氨基密度達(dá)3.41×10-6mol/cm2。當(dāng)接枝氨基和羥基后，材料表面相對于反應(yīng)前變得粗糙。
　　 6.采用大鼠乳鼠成骨細(xì)胞為種子細(xì)胞評價了PAPI及PAPI-PDLLA的細(xì)胞毒性。從成骨細(xì)胞形態(tài)、粘附、鋪展、增殖、分化和礦化等幾個方面系統(tǒng)的比較

13、了PAPI-PDLLA及功能化表面與PDLLA的細(xì)胞相容性。
　　 ①采用PAPI浸泡液及.PAPI和PAPI..PDI。LA降解可能產(chǎn)生的最大量的PMDA的浸泡液用于培養(yǎng)成骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞在上述培養(yǎng)液中培養(yǎng)均體現(xiàn)正常形態(tài)，PAPI及含PMA的培養(yǎng)液并不影響細(xì)胞的形態(tài)與增殖，這說明了PAPI及PAPI-PDLLA無明顯細(xì)胞毒性。
　　 ②與PDLLA相比，適當(dāng)?shù)囊隤API促進(jìn)了成骨細(xì)胞的粘附與鋪展，而過多的PAPI

14、不利于細(xì)胞的粘附；功能化的PAPI-PDLLA膜表面也有利于細(xì)胞的粘附與鋪展，氨基功能化的表面細(xì)胞粘附最為明顯。
　　 ③相對于PDLLA，適當(dāng)PAPI含量的PAPI-PDLLA膜有利于細(xì)胞增殖，而氨基和羥基功能化的表面使細(xì)胞增殖更為顯著。
　　 ④成骨細(xì)胞在材料表面的分化和礦化能力采用堿性磷酸酶、無機(jī)鈣分泌和膠原分泌等指標(biāo)來衡量。結(jié)果表明，細(xì)胞在氨基功能化的PAPI-PDLLA膜表面的分化礦化能力略優(yōu)于PAPI-PDL