明胶/细菌纤维素复合水凝胶骨修复材料的制备与性能研究
在骨组织工程中，天然高分子支架材料在对细胞的黏附、募集方面有着天然的优势。明胶是胶原蛋白部分水解的产物，骨架中的RGD生物活性序列是细胞的特异性结合位点，易被细胞识别，有利于细胞黏附，促进新组织再生。在实际应用中常常对明胶进行甲基丙烯酸化改性，甲基丙烯酸化明胶(GelMA)水凝胶具有类似于骨细胞外基质的结构特征，可为细胞的黏附和增殖提供三维支持，为新组织的生成提供适宜的场所。但是GelMA水凝胶机械性能较弱，单一使用难以满足骨组织工程的需求，因此常采用与其他材料复合的方式制备复合水凝胶。此外，由于水凝胶的交联网络结构，细胞在水凝胶中一般难以铺展，常呈分散生长的状态。细菌纤维素(BC)具有独特的超分子结构和大量的分子间氢键，具有天然的纳米纤维网状结构，因此显示出优异的机械性能，可以作为增强体使用。因此，本论文将BC与GelMA水凝胶进行复合，对GelMA水凝胶进行机械强度的改善;并且希望使BMSC细胞能在水凝胶内部沿BC纤维铺展，进而增殖、迁移和分化，在植入体内后可迅速进行组织再生。本论文主要工作简述如下: (1)对GelMA/BC复合水凝胶的制备工艺进行了探索。首先探索了将纯化分离的BC纤维制备成悬液与GelMA水溶液混合获得GelMA/BC复合水凝胶，但发现BC纤维无法均匀地分散在水凝胶中，导致水凝胶的力学强度增强并不明显。其次采用BC纤维支架预成型的方式制备复合水凝胶，使BC纤维的分散得到显著改善，相比于纯GelMA水凝胶，复合水凝胶的压缩强度和断裂应变显著提高，且随着BC纤维添加量的增多，复合水凝胶的压缩强度进一步提高，同时，机械稳定性也得到提高。吸水溶胀实验结果显示，复合水凝胶有较高的吸水能力，溶胀后有较强的形状保持能力，随着BC纤维含量增加，水凝胶溶胀率保持稳定，是因为BC纤维的引入使水凝胶的网络更加致密，限制了体积膨胀。正因为如此，复合水凝胶随着BC纤维添加量增多，降解速率变慢。细胞在水凝胶上接种培养结果显示，GelMA/BC复合水凝胶生物相容性良好，无细胞毒性。 (2)将BMSC细胞包埋在GelMA/BC复合水凝胶内部进行培养，未能观察到细胞沿BC纤维支架铺展的现象，仍然呈分散生长的状态，推测其原因为BC纤维刚度不够高、对BMSC细胞的亲和力不足等因素所造成的，因此本研究尝试了对BC纤维支架进行生物矿化，使纤维表面包覆一层羟基磷灰石颗粒，提高BC纤维的刚度，并改善其对BMSC细胞的粘附亲和力。发现，相对于纯的BC纤维支架，BMSC细胞在生物矿化的BC纤维支架上贴附数目显著增加，细胞形态良好。该矿化BC纤维支架与GelMA的复合水凝胶，其力学性能相比于前述未矿化BC纤维和GelMA复合水凝胶的进一步提高。但遗憾的是，当BMSC细胞在此矿化纤维的复合水凝胶中培养7天后，大部分细胞始终呈圆形、分散生长状态，分析原因可能还是由于交联的GelMA网络阻碍了细胞的迁移所造成的。但当将BMSC细胞先培养在在矿化细菌纤维素支架上，待其充分黏附再将其包埋于水凝胶之中。在7天的培养过程中，发现细胞在水凝胶内部增殖显著，沿着矿化纤维形成的网络铺展良好。 综上所述，本论文研究初步探索了BC纤维增强GelMA水凝胶的可行性，成功制备了GelMA/BC复合水凝胶，相比于纯GelMA水凝胶，复合水凝胶的力学性能与机械稳定性明显提高，BC纤维经生物矿化引入无机成分后，相应复合水凝胶的力学性能进一步提高。所有GelMA/BC复合水凝胶都具有良好的生物相容性，无明显细胞毒性，可支持细胞的生长。并且可采用对BMSC细胞进行纤维支架预贴附的方式，将细胞包埋于复合水凝胶内，可用于骨组织工程的研究。
骨修复材料;复合水凝胶;甲基丙烯酸化明胶;细菌纤维素;制备工艺;力学性能;生物相容性
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
蔡晴
2019
中文
TB347
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）