电活性生物可降解聚膦腈的制备及其促成骨作用的研究
尽管自/异体骨移植是临床治疗骨缺损的黄金标准，但溯源稳定性、病理学稳定性等因素始终限制其广泛应用，促使人们设计功能性骨修复材料。目前可应用的合成类高分子生物医用材料主要有可降解脂肪族聚酯，如左旋聚乳酸(PLLA)、聚己内酯(PCL)、乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)等。但这些高分子材料因生物活性有限，难以凭借材料自身属性赋予骨组织工程支架良好的骨修复效果，通常需要与其它一些生物活性成分，如生长因子或活性离子等复合，才能实现显著的促成骨活性。如何保证生物活性组分在支架制备过程中的稳定性和后续功能发挥，常是一项不可避免的难题，这类复合材料的应用因此也受到一定限制。本论文以具有成骨生物活性的可降解聚膦腈为研究对象，设计并制备一系列具有导电性能的骨组织工程支架材料，用于评价这类仿生天然骨电生理活性的生物材料对于诱导骨髓间充质干细胞(BMSCs)成骨分化和促进骨缺损修复的作用。研究内容包括:(1)制备氨基酸乙酯共取代聚膦腈和碳纳米管(CNT)的复合导电材料，通过引入外源性电场刺激(ES)模拟体内电生理微环境，评价BMSCs在导电材料和ES作用下的成骨分化行为;(2)合成苯胺四聚体(AT)和甘氨酸乙酯共取代导电聚膦腈并将其制备成微球，采用细胞培养和大鼠颅骨缺损模型评价其促骨再生修复性能;(3)借助聚多巴胺(PDA)改性的手段，在微球表面引入纳米银(AgNPs)，制备具有抑菌性能的导电聚膦腈微球，采用微球和金黄色葡萄球菌(S.aureus)共同植入大鼠颅骨缺损的方式模拟治愈细菌感染型骨缺损，评价微球的抑菌性能和促骨再生修复性能;(4)采用静电纺丝工艺，制备导电聚膦腈和PLGA共混纤维，以及电活性聚膦腈复合PLGA核壳纤维，采用细胞培养和大鼠股骨远端缺损模型评价其促成骨性能。主要研究内容和结果简述如下: (1)设计导电PAGP/CNT复合膜材料。采用70mol.％丙氨酸乙酯和30mol.％甘氨酸乙酯共取代聚膦腈PAGP与CNT以三氯甲烷为溶剂，共混并溶液浇铸而成。PLLA复合CNT膜PLLA/CNT作为对照。为消除材料组成引起对细胞亲和性的差异，借助PDA表面改性得到PAGP/CNT/PDA和PLLA/CNT/PDA复合膜。细胞实验结果表明，在上述所有膜材料上，BMSCs在PAGP/CNT/PDA表面呈现更高增殖活性和成骨分化能力。在优化的ES参数下(每天1.5V，2h)，接种在PAGP/CNT/PDA上的BMSCs的成骨分化指标如碱性磷酸酶(ALP)等表达得到进一步增强。上述研究证实导电性的聚膦腈基材结合适当ES，对于BMSCs成骨分化能产生协同的促进作用。 (2)从聚膦腈分子结构出发，合成了10mol.％AT和90mol.％甘氨酸乙酯共取代可降解导电聚膦腈PATGP，采用乳液法将聚合物制备成直径约100μm的微球。PLGA和PAGP制备的微球作为对照。考查它们的导电性能、降解性能、活性氧(ROS)清除性能、细胞相容性和促成骨活性等。其中，只有具有导电性的PATGP微球呈现出优异的抗氧化性能，相比于不导电的PAGP微球具有更强地促BMSCs增殖和成骨分化的能力，且这两种聚膦腈微球的促成骨活性均优于PLGA微球。在大鼠5mm颅骨缺损模型中，PATGP微球组的新骨生成程度最高，再生修复效果最好。因此，具有导电性的可降解聚膦腈材料能一定程度消除缺损区域组织/细胞的氧化应激状态，仿生天然骨的电生理微环境，是一种新型的电活性骨再生修复材料。 (3)在电活性PATGP微球的基础上，进一步采用PDA对微球进行表面改性，利用PDA的化学还原性，在PATGP微球表面引入AgNPs，赋予PATGP微球抑菌性能，用于细菌感染骨缺损的再生修复。研究结果显示，微球AgNPs的负载量影响Ag+释放行为，超过一定浓度会引起细胞毒性，而在合适的剂量下，微球兼具对S.aureus的抑菌活性和对BMSCs的细胞相容性，同时微球仍具有显著的抗氧化活性和促BMSCs成骨分化的活性。与未载银的PATGP/PDA微球和载银的PAGP/PDA微球对比，在构建的S.aureus感染颅骨缺损模型中，载银的PATGP/PDA微球不仅表现出优异的体内抑菌性能，同时加快了骨矿物的沉积和新骨生成。 (4)将导电性的可降解聚膦腈PATGP与脂肪族聚酯PLGA复合，扬长避短，通过静电纺丝成型，用于骨再生修复研究。通过共混溶液静电纺丝和同轴共纺静电纺丝分别制备PATGP/PLGA复合纤维膜和PLGA(核)-PATGP(壳)纤维膜，对比研究它们对于BMSCs增殖活性、ROS清除能力及诱导BMSCs成骨分化等性能。在大鼠远端股骨缺损实验中，考查材料的抗氧化活性对于术后早期炎症消除的贡献及后期骨的愈合情况。结果表明，两种类型复合纤维膜均可显著消除材料植入早期的炎症反应，其中核-壳纤维膜抑制炎症的作用更加明显。后期的骨再生结果显示，核-壳纤维膜更有利于胶原的沉积和新生骨组织的形成。 综上所述，基于聚膦腈分子结构设计，可合成得到导电和不导电的生物可降解聚膦腈材料，相比传统脂肪族聚酯材料，这是一类具有促成骨活性的修复材料，可以设计成不同支架形式进行应用。骨缺损的再生修复是一个复杂的过程，缺损组织的氧化应激状态、炎症反应和细菌感染，以及植入材料对蛋白的吸附和生物相容性等都会影响骨的重塑和再生，具有抗氧化性、抗菌性、促成骨活性的电活性可降解聚膦腈材料在重建骨再生的微环境方面显示出明显优势，有望作为一种新型生物材料用于骨组织工程。
聚膦腈;抗氧化;生物可降解;骨修复;电活性
北京化工大学
博士
材料科学与工程
蔡晴
2021
中文
TB347
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）