絲素納米纖維骨仿生復合材料的構建及應用.pdf

1、我國每年由于交通和工業(yè)事故、腫瘤、骨組織壞死和風濕等疾病引起的骨組織缺損、骨折病患人數(shù)達數(shù)百萬人，并且隨著社會人口老齡化的加劇，與骨組織相關的問題越來越多。當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，但自體骨移植技術由于取材來源有限、功能性障礙、增加患者痛苦等問題導致其在臨床應用受到了一定限制，而異體骨移植存在價格昂貴、加工費時等問題。因此，設計一種在結構、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能力的骨修復材料是當前骨組織工程的熱點問題。本文圍繞仿生天然骨的分級結構、組成和功能這一主題，基于納米紡織技術，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行系統(tǒng)研究的基礎上，探討其在骨組織工程的應用潛力。
　　本文主要研究內(nèi)容和結論如下:
　　首先以仿生天然骨的關鍵結構特征—礦化的膠原纖維束為目標，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的復合粒子為芯層的取向核殼結構納米纖維束。通過與人骨肉瘤細胞(MG-63類成骨細胞)進行復合培養(yǎng)來評價其生物性能。結果表明，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，皮層的TSF能夠很好的包覆芯層的HA-TSF復合粒子，特別是在核殼比為1∶1的時候，核殼納米纖維顯示出最佳的力學性能，其斷裂強度、斷裂伸長以及初始模量分別為:5.3MPa，62.6％，70.2MPa。生物學性能顯示

4、，與取向的純TSF支架、Cover slip相比，TSF/HA-TSF(1∶1)支架展現(xiàn)出最好的細胞相容性。此外，還發(fā)現(xiàn)纖維的取向對成骨細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復合納米纖維支架。結果表明，GO納米片能夠很好的裹覆和嵌在有機基質(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，尤其是力學性能得到顯著提高，其初始模量和拉伸強度分別是PLGA納米纖維氈的7倍和4倍。生物學評價顯示，PLGA/TSG/GO納米纖維顯示出最高的細胞增殖能力，而且GO的嵌入和TSF的添加對功能性地促進小鼠骨髓間充質(zhì)干細胞(mMSCs)分化和新骨的形成起著關鍵作用。
　　為了獲得在結構、組成上高度仿生

6、并具備良好的力學性能的骨修復材料，生物礦化方法已成為實現(xiàn)形貌結構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，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建了類似于天然骨板層結構的骨修復材料。結果顯示，在PLGA納米纖維基質(zhì)中添加TSF能夠誘導HA礦物晶體在納米纖維表面成核和定向生長，TEM結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構。礦化后，多層正交結構的PLGA/TSF/GO復合支架的相比無紡的PLGA/TSF/GO壓縮模量和壓縮強度分別增加了將近1.7倍和0.6倍。將人骨髓間充質(zhì)干細胞(hMSCs)接種于復合支架材料表面，通過激光共聚焦顯微鏡、ALP、流式細胞儀分析和實時定量PCR等方法檢測礦化前后纖維支架對成骨細胞粘附、增殖、分化的影響，通過上述實驗證實了礦化后的納米纖維具有很好的成骨誘導活性，而且細胞能夠長入支架內(nèi)部，細胞排

8、列同樣呈現(xiàn)多層正交的結構。此外，還發(fā)現(xiàn)復合支架的這種三維多層正交結構也能促進細胞的增殖、分化。
　　為進一步對天然骨的分級結構進行仿生，本文還制備了納米纖維織物為增強的骨仿生復合材料，這種分級結構依次為: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，直至宏觀結構。首先通過靜電紡絲技術制備具有一定捻度的納米纖維紗線，利用紡織編織技術將納米紗線織成三維多層織物，最后通過體外細胞生物礦化在納米纖維表面沉積礦物晶體以

9、構建織物增強的納米骨仿生復合材料。結果顯示，在聚乳酸(PLA)和TSF質(zhì)量比為9∶1時，通過靜電紡的方法能夠制備連續(xù)的納米紗，且紗線具均勻的細度和良好的力學性能。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。體外細胞培養(yǎng)結果顯示，細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有序結構能夠更好地促進細胞的增殖、分化和功能性表達。為了評價納米仿生骨材料的促進新骨再