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1、可生物降解的形狀記憶聚合物(SMPs)是一類新型功能高分子材料。將這類材料應(yīng)用于骨組織修復(fù)時(shí),除了可以實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)植入和生物降解,還能在應(yīng)用中持續(xù)施加生物力學(xué)刺激,提高對(duì)骨缺損的修復(fù)和再生功效。近年來,電紡絲(Electrospinning)被廣泛用于制備具有高比表面積和孔隙率的納米纖維支架,與傳統(tǒng)的其他形式的組織工程支架相比,電紡納米纖維支架具有高度仿生天然細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的結(jié)構(gòu)和可為細(xì)胞提供理想的生存微環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。然而,目前關(guān)于利用
2、SMPs結(jié)合電紡絲技術(shù)制備具有納米纖維結(jié)構(gòu)的支架并研究其對(duì)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)行為研究的報(bào)道還很少,對(duì)仿生納米纖維的形狀回復(fù)效應(yīng)及用于骨缺損(如骨釘孔)修復(fù)時(shí)的功效的認(rèn)識(shí)也還十分有限。
本文首先利用一種新型的形狀記憶高分子聚乳酸-聚三甲基碳酸酯(PDLLA-TMC,簡(jiǎn)寫成PLMC),通過電紡絲技術(shù)制備具有納米纖維結(jié)構(gòu)的SMP電紡膜,并評(píng)估該多功能纖維支架的成骨能力。研究取得了如下結(jié)果:PLMC電紡膜擁有良好的纖維形貌,隨著PLMC中的
3、DLLA∶TMC比例(從5∶5,7∶3,8∶2到9∶1)的升高,纖維直徑從1500nm下降為700nm,而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度即該SMP電紡膜的形狀回復(fù)溫度從19.2℃升高到44.2℃,溫度變化范圍很適合應(yīng)用于人體內(nèi)部。形狀記憶測(cè)試表明,PLMC電紡膜擁有較好的形狀記憶效應(yīng),其形狀固定率和形狀回復(fù)率分別超過94%和98%。形狀記憶效果演示顯示,基于PLMC納米纖維的2-D和3-D結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)了很快的形狀回復(fù)速率(在39℃完全回復(fù)僅需要大約10s
4、)。成骨細(xì)胞在該SMP電紡膜上的增殖良好,同時(shí)這種具有形狀記憶效應(yīng)的PLMC納米纖維支架能較好地促進(jìn)成骨細(xì)胞的堿性磷酸酶(ALP)表達(dá)和礦化。
基于上面的研究結(jié)果,本研究接著在PLMC納米纖維中引入具有卓越生物相容性和骨傳導(dǎo)性的羥基磷灰石(HAp),制備PLMC/HAp復(fù)合納米纖維支架,評(píng)估HAp的引入對(duì)PLMC形狀記憶效應(yīng)及成骨性能的影響。研究取得了如下結(jié)果:在低含量時(shí),HAp能較好地在PLMC納米纖維中分散,但當(dāng)HAp和P
5、LMC的質(zhì)量比超過2∶8時(shí),會(huì)出現(xiàn)HAp納米顆粒的團(tuán)聚。HAp的引入能夠一定程度上提高PLMC納米纖維的熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度,通過調(diào)節(jié)HAp的含量,可以使玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在45.7~51.5℃的范圍內(nèi)波動(dòng),而最大斷裂強(qiáng)度增加5倍左右。值得注意的是,引入HAp也能使PLMC納米纖維的形狀回復(fù)力增加,這對(duì)于形狀記憶材料應(yīng)用于人體內(nèi)部時(shí)施加力學(xué)刺激具有重要意義。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明,HAp的引入能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞在PLMC納米纖維膜上的增殖,并且促進(jìn)成骨細(xì)
6、胞的堿性磷酸酶(ALP)表達(dá)和成骨礦化,顯示出用于體內(nèi)骨缺損修復(fù)的潛力。
最后,針對(duì)現(xiàn)在普遍利用熱刺激來激發(fā)SMPs的形狀記憶效應(yīng)的不足,本研究初步探索了采用超聲作為一種遠(yuǎn)程控制手段,來實(shí)現(xiàn)在利用超聲使載藥支架進(jìn)行形狀回復(fù)的同時(shí),也具有隨意(On-demand)控制釋放藥物的可行性。為此,我們利用水包油包水雙乳化法(Doubleemulsion)制備出載有模式藥物溶菌酶(Lyz)的經(jīng)殼聚糖(CTS)修飾的聚乳酸-乙醇酸(PLG
7、A)微球,并利用低溫微球焙燒方法制備出直徑為5mm的圓柱形3-D支架。然后利用高強(qiáng)度聚焦超聲協(xié)同控制這種3-D支架的形狀回復(fù)和藥物釋放效應(yīng)。研究取得如下結(jié)果:通過在PLGA微球表面修飾不同含量的CTS,可以使微球的相轉(zhuǎn)變溫度Ttrans在45到50℃之間調(diào)節(jié),同時(shí)也能一定程度上影響這種3-D支架的形狀回復(fù)率。形狀記憶和藥物釋放測(cè)試證明了超聲能夠控制形狀回復(fù)過程,并且同時(shí)控制Lyz從支架中釋放,實(shí)現(xiàn)脈沖給藥模式。另外,通過調(diào)節(jié)超聲的強(qiáng)度和
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