基于雙模板協(xié)同共組裝新策略的納米仿生骨材料的可控制備研究.pdf

1、自然界經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的演化產(chǎn)生了許多結(jié)構(gòu)完美、性能優(yōu)異的天然生物材料。如堅(jiān)硬的鮑魚(yú)殼、堅(jiān)韌的蜘蛛絲、鋒利的鼠牙以及兼有高強(qiáng)度和高韌性的天然骨材料等等。探討和揭示這些天然生物材料的形成機(jī)理和組裝結(jié)構(gòu)已成為仿生材料合成的關(guān)鍵所在。隨著對(duì)生物礦化本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，即有機(jī)分子介導(dǎo)無(wú)機(jī)成分的礦化沉積。因此，模板自組裝介導(dǎo)合成仿生材料的策略是近年來(lái)研究熱點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)這種模板介導(dǎo)法合成的材料不僅僅局限于成分上仿生，而更加注重的是結(jié)構(gòu)仿生。由于天然材料的各種

2、優(yōu)異性能都與其多級(jí)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此通過(guò)對(duì)其多級(jí)組裝結(jié)構(gòu)的模擬和仿生必定能大大提高仿生材料的特殊性能。
　　 本課題在現(xiàn)有單模板介導(dǎo)機(jī)制的基礎(chǔ)上提出了基于雙模板協(xié)同共組裝介導(dǎo)納米仿生骨材料的受控制備。這是對(duì)當(dāng)前單模板介導(dǎo)仿生策略的一個(gè)重要突破。天然骨材料多模板協(xié)同共組裝的結(jié)果，因此雙模板機(jī)制更加接近天然骨的形成方式。但是隨著模板數(shù)量的增加，其模板的活性中心也在增加，多活性中心的存在易擾亂晶體的成核生長(zhǎng)。
　　 本論文首先

3、選擇結(jié)構(gòu)和介導(dǎo)效應(yīng)相似、功能互補(bǔ)的膠原蛋白(Collagen)和絲素蛋白(Silk fibroin)作為協(xié)同共組裝的兩個(gè)起始模板，藉以實(shí)現(xiàn)納米仿生納米仿生骨替代材料體系的制備。利用圓二色譜和SDS-PAGE對(duì)模板蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征結(jié)果證明，膠原蛋白和絲素蛋白作為兩種纖維狀分子具有很好的協(xié)同效應(yīng)，且形成的新協(xié)同共組裝模板其二級(jí)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。
　　 基于膠原和絲素蛋白協(xié)同共組裝的新策略，我們合成了膠原-絲素/羥基磷灰石的納米仿生復(fù)合材

4、料，并以單模板介導(dǎo)的材料（膠原-羥基磷灰石；絲素-羥基磷灰石）為對(duì)照。通過(guò)對(duì)該共組裝雙模板介導(dǎo)的材料進(jìn)行了系列表征后，結(jié)果表明，獲得無(wú)機(jī)晶體是納米級(jí)針狀羥基磷灰石，形貌與性能與天然骨中的無(wú)機(jī)成分非常類(lèi)似。此外，通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)晶體的TEM和SAED分析證明了無(wú)機(jī)晶體是沿纖維性蛋白的C軸方向取向生長(zhǎng)的，再結(jié)合FTIR、XRD和DLS的綜合分析結(jié)果，論文提出了一個(gè)關(guān)于纖維性雙模板蛋白分子介導(dǎo)晶體生長(zhǎng)的可能分子機(jī)制及成核過(guò)程模式。
　　 骨

5、髓間充質(zhì)干細(xì)胞（Bone marrow mesenchymAlstem cells）是目前骨組織工程最具應(yīng)用潛力的種子細(xì)胞之一。本文進(jìn)一步利用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)這種新型的基于雙模板協(xié)同共組裝的納米仿生骨材料進(jìn)行生物相容性評(píng)價(jià)。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料具有良好的生物相容性，能夠很好的支持骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖以及分化。
　　 此外，還研究了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在該仿生材料上的成骨分化。通過(guò)在細(xì)胞和分子兩個(gè)水平對(duì)成骨分化進(jìn)行了

6、定性和定量分析。定性染色結(jié)果表明，成骨分化早期和晚期的兩個(gè)特異性的標(biāo)志，堿性磷酸酶和鈣結(jié)節(jié)染色均為陽(yáng)性染色結(jié)果。RT-PCR結(jié)果更進(jìn)一步的表明，成骨分化的一些特異性基因在各個(gè)不同時(shí)期均有表達(dá)，其中I型膠原蛋白基因?yàn)榻M成性表達(dá)，且在分化各個(gè)時(shí)期均高效穩(wěn)定表達(dá)。堿性磷酸酶基因在成骨分化早期表達(dá)量高，晚期表達(dá)量低。而骨鈣素和骨粘素則在分化晚期高效表達(dá)。
　　 最后，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了該類(lèi)仿生材料的體內(nèi)生物相容性。結(jié)果表明，細(xì)胞-