絲素納米纖維骨仿生復(fù)合材料的構(gòu)建及應(yīng)用.pdf

1、我國每年由于交通和工業(yè)事故、腫瘤、骨組織壞死和風(fēng)濕等疾病引起的骨組織缺損、骨折病患人數(shù)達(dá)數(shù)百萬人，并且隨著社會(huì)人口老齡化的加劇，與骨組織相關(guān)的問題越來越多。當(dāng)前治療骨缺損的方法主要有自體骨、異體骨和人工合成骨移植，其中最有效的治療方法就是自體骨移植，但自體骨移植技術(shù)由于取材來源有限、功能性障礙、增加患者痛苦等問題導(dǎo)致其在臨床應(yīng)用受到了一定限制，而異體骨移植存在價(jià)格昂貴、加工費(fèi)時(shí)等問題。因此，設(shè)計(jì)一種在結(jié)構(gòu)、組成和功能上高度模擬天然骨組織

2、基質(zhì)，并具備良好的生物相容性和成骨誘導(dǎo)能力的骨修復(fù)材料是當(dāng)前骨組織工程的熱點(diǎn)問題。本文圍繞仿生天然骨的分級(jí)結(jié)構(gòu)、組成和功能這一主題，基于納米紡織技術(shù)，通過材料選擇、支架制備、性能表征等方法，在制備出四種不同形式的骨仿生支架并對這些支架進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，探討其在骨組織工程的應(yīng)用潛力。
　　本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　首先以仿生天然骨的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征—礦化的膠原纖維束為目標(biāo)，通過同軸靜電紡絲，制備了以柞蠶絲素蛋白(TSF

3、)為皮層，納米羥基磷灰石(HA)和TSF的復(fù)合粒子為芯層的取向核殼結(jié)構(gòu)納米纖維束。通過與人骨肉瘤細(xì)胞(MG-63類成骨細(xì)胞)進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng)來評價(jià)其生物性能。結(jié)果表明，純TSF水溶液顯示出良好的可紡性，在核殼比為1∶2和1∶1時(shí)，皮層的TSF能夠很好的包覆芯層的HA-TSF復(fù)合粒子，特別是在核殼比為1∶1的時(shí)候，核殼納米纖維顯示出最佳的力學(xué)性能，其斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長以及初始模量分別為:5.3MPa，62.6％，70.2MPa。生物學(xué)性能顯示

4、，與取向的純TSF支架、Cover slip相比，TSF/HA-TSF(1∶1)支架展現(xiàn)出最好的細(xì)胞相容性。此外，還發(fā)現(xiàn)纖維的取向?qū)Τ晒羌?xì)胞的排列有重要影響，其生長方向和纖維的取向是一致的。
　　為了改善支架的力學(xué)性能和生物活性，通過在聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)中摻雜1wt％氧化石墨烯(GO)納米片和10wt％TSF制備了PLGA/TSF/GO復(fù)合納米纖維支架。結(jié)果表明，GO納米片能夠很好的裹覆和嵌在有機(jī)基質(zhì)(PLGA/T

5、SF)中，在PLGA基質(zhì)中添加TSF和GO后，納米纖維直徑從278nm減小至130nm，復(fù)合支架的親水性和蛋白質(zhì)吸附性能得到明顯改善，尤其是力學(xué)性能得到顯著提高，其初始模量和拉伸強(qiáng)度分別是PLGA納米纖維氈的7倍和4倍。生物學(xué)評價(jià)顯示，PLGA/TSG/GO納米纖維顯示出最高的細(xì)胞增殖能力，而且GO的嵌入和TSF的添加對功能性地促進(jìn)小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mMSCs)分化和新骨的形成起著關(guān)鍵作用。
　　為了獲得在結(jié)構(gòu)、組成上高度仿生

6、并具備良好的力學(xué)性能的骨修復(fù)材料，生物礦化方法已成為實(shí)現(xiàn)形貌結(jié)構(gòu)與天然骨相似的磷灰石在聚合物表面沉積的重要策略?；谝陨涎芯炕A(chǔ)，制備了PLGA/TSF/GO三維多層正交的納米纖維支架，并以此為模板通過模擬體液仿生礦化構(gòu)建了類似于天然骨板層結(jié)構(gòu)的骨修復(fù)材料。結(jié)果顯示，在PLGA納米纖維基質(zhì)中添加TSF能夠誘導(dǎo)HA礦物晶體在納米纖維表面成核和定向生長，TEM結(jié)果顯示纖維表面礦物是由長40～50nm，寬2～5nm的針狀晶體堆砌形成的三維陣列

7、，纖維中存在大量的微孔和介孔結(jié)構(gòu)。礦化后，多層正交結(jié)構(gòu)的PLGA/TSF/GO復(fù)合支架的相比無紡的PLGA/TSF/GO壓縮模量和壓縮強(qiáng)度分別增加了將近1.7倍和0.6倍。將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSCs)接種于復(fù)合支架材料表面，通過激光共聚焦顯微鏡、ALP、流式細(xì)胞儀分析和實(shí)時(shí)定量PCR等方法檢測礦化前后纖維支架對成骨細(xì)胞粘附、增殖、分化的影響，通過上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)了礦化后的納米纖維具有很好的成骨誘導(dǎo)活性，而且細(xì)胞能夠長入支架內(nèi)部，細(xì)胞排

8、列同樣呈現(xiàn)多層正交的結(jié)構(gòu)。此外，還發(fā)現(xiàn)復(fù)合支架的這種三維多層正交結(jié)構(gòu)也能促進(jìn)細(xì)胞的增殖、分化。
　　為進(jìn)一步對天然骨的分級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生，本文還制備了納米纖維織物為增強(qiáng)的骨仿生復(fù)合材料，這種分級(jí)結(jié)構(gòu)依次為:納米纖維和礦物粒子、礦化的納米纖維、礦化的納米纖維紗、礦化的織物層，直至宏觀結(jié)構(gòu)。首先通過靜電紡絲技術(shù)制備具有一定捻度的納米纖維紗線，利用紡織編織技術(shù)將納米紗線織成三維多層織物，最后通過體外細(xì)胞生物礦化在納米纖維表面沉積礦物晶體以

9、構(gòu)建織物增強(qiáng)的納米骨仿生復(fù)合材料。結(jié)果顯示，在聚乳酸(PLA)和TSF質(zhì)量比為9∶1時(shí)，通過靜電紡的方法能夠制備連續(xù)的納米紗，且紗線具均勻的細(xì)度和良好的力學(xué)性能。此外，在PLA基質(zhì)中添加TSF能夠顯著改善材料的親水性和蛋白質(zhì)吸附性能。體外細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果顯示，細(xì)胞能夠長入三維多層納米織物內(nèi)部，并能夠延紗線軸向生長，相比無紡的納米纖維氈，納米纖維織物中的分級(jí)有序結(jié)構(gòu)能夠更好地促進(jìn)細(xì)胞的增殖、分化和功能性表達(dá)。為了評價(jià)納米仿生骨材料的促進(jìn)新骨再