明胶--羟基磷灰石复合晶胶骨修复材料的研究
在骨组织工程中，传统水凝胶材料的力学强度通常不足以满足骨缺损的修复要求，这促使大家积极开展新型凝胶基骨再生修复材料，其中，高强度的晶胶被认为是一类合适的候选材料。晶胶是一种由可交联的亲水性聚合物溶液，在交联前的冷冻过程中实现分子的有序排列，形成的高强度大孔三维(3D)支架。明胶，是胶原部分水解的产物，有很高的化学活性和优异的生物特性，在骨修复领域中应用广泛。鉴于天然骨的有机-无机组分，羟基磷灰石（HA）不仅是获得仿生天然骨组成的首选无机成分，并且是进一步提高晶胶力学性能的优良增强体。 相对于HA纳米颗粒，一维HA纳米线由于具有桥接能力和网络形成能力，理论上是具有更显著效果的增强材料。另外，如果能通过化学结合增强HA纳米粒子与高分子基体的相互作用，也可以有效改善明胶-HA复合材料的机械稳定性。 因此，本研究制备了三种HA(HA纳米棒、HA纳米线和双键化HA纳米棒)，并与双键化明胶复合，制备了不同HA含量的明胶-HA复合晶胶，并对其孔形态、溶胀率、降解特性、力学性能、生物相容性和成骨性能进行了综合表征，以评估开发适合骨再生的明胶-HA晶胶支架的可行性。主要工作如下: (1)通过明胶和甲基丙烯酸酐反应制备了双键化明胶(GelMA)，通过甲醛滴定法测定双键取代比例～80％。 (2)通过化学沉淀法制得HA纳米棒（HANRs），长约100-150nm，宽约20-30nm，XRD结果表明材料有良好的晶型。利用紫外光固化和冷冻-干燥技术成功制备了不同HANRs含量的明胶晶胶支架(CNR)，并以纯GelMA晶胶为对照，对复合晶胶进行了系列表征发现:所有制得的晶胶都有连通的孔状结构，具有一定的保水性、形状记忆性能和快速回弹性;随着HANRs含量的增加，复合晶胶的力学强度得到显著提高，但交联密度有所下降，降解速率也有所加快;体外生物学评价结果显示，复合晶胶具有良好的生物相容性，可以支持大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的增殖和成骨分化，并且促成骨分化能力与HANRs含量呈正相关。 (3)通过水热法制得HA纳米线（HANWs），长径比大于80，可以与HANRs形成对比，用以去提高明胶晶胶的机械稳定性。相比于GelMA-HANRs(CNR)晶胶的性能，当HA含量相同时，在GelMA-HANWs(CNW)晶胶中，HANWs沿孔壁分布，CNW晶胶有较小的孔径和溶胀度，表现出形状记忆性能和快速回弹性。对比压缩性能测试和流变学分析结果，发现CNW复合晶胶的力学性能略优于CNR复合晶胶，在较高HA含量下(50wt％)，两者的差异更显著;CNW复合晶胶也具有良好的生物相容性，可以支持rBMSCs的粘附、增殖并促进成骨分化，且晶胶的三维多孔结构利于细胞的迁移和进入生长。 (4)用双键化帕米磷酸二钠对HANRs改性，化学沉淀法制备的双键化HANRs（MHANRs）能保持HANRs原有的形貌和晶型，在紫外光照条件下，MHANRs可以与GelMA形成化学键结合。相比于CNR晶胶，由于交联密度的提高，GelMA-MHANRs(CMNR)晶胶有更小的孔径和溶胀度，降解速率减缓，但力学性能提高;CMNR复合晶胶具有良好的生物相容性和促成骨分化能力。 综上所述，HA可以作为无机增强体填充到明胶晶胶中。相比于HANRs，具有一定长径比的一维HANWs在明胶基质中起到桥接作用，增强了复合晶胶的力学性能和结构稳定性;带有双键的MHANRs，通过与GelMA形成化学结合，提高了复合晶胶的交联密度，更有利于提高明胶-HA复合晶胶的机械稳定性。具有连通大孔结构的GelMA-HA复合晶胶，生物相容性和细胞亲和性优异，具有促进成骨分化的能力，作为一类良好的骨修复材料，预期在骨组织工程研究以及应用中有广阔的前景。
骨修复材料;复合晶胶;明胶;羟基磷灰石;制备工艺;生物相容性;促成骨分化能力
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
蔡晴
2019
中文
TB347
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）