殼聚糖生物復(fù)合駐極體骨修復(fù)材料的研究.pdf

1、生物體的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能經(jīng)過(guò)30億年的優(yōu)化，幾乎完美無(wú)缺。許多生物組織和生物大分子都具有明顯的電活性，組成生物體的蛋白質(zhì)、酶、DNA和RNA、聚糖、生物膜，乃至骨骼、血管和皮膚等都是天然生物駐極體。骨骼是人們較早確認(rèn)的天然駐極體材料，空間和極化電荷在體內(nèi)的儲(chǔ)存是骨骼駐極體效應(yīng)的根源。生物電現(xiàn)象在骨的塑形和改建方面起著重要作用，可以大大加快骨折的愈合過(guò)程，采用電刺激促進(jìn)骨折愈合是骨科常用的治療方法，在骨折處附加電壓所形成的負(fù)電荷

2、積累有利于骨折愈合。體外給予直流電或交流電，或者將人置于電場(chǎng)中來(lái)促進(jìn)骨折愈合，不能排除電場(chǎng)對(duì)人體其他器官可能造成有害影響，而且在臨床上應(yīng)用不方便，并難以保證整個(gè)療程中電刺激的穩(wěn)定有效性。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本課題研制了生物可降解駐極體。生物駐極體是一種電活性功能材料，作為硬組織修復(fù)材料在體內(nèi)不需外電源，其負(fù)電活性具有抗菌作用，并可刺激骨組織生長(zhǎng)。隨著新組織的形成，材料逐漸降解，降解產(chǎn)物被機(jī)體利用吸收。實(shí)驗(yàn)選擇生物相容性好，來(lái)源豐富，價(jià)格低廉的

3、殼聚糖為原料，制備生物可降解駐極體。并仿生合成殼聚糖／磷灰石復(fù)合駐極體生物材料。最后評(píng)價(jià)了殼聚糖生物復(fù)合駐極體的體外生物學(xué)性能。 本課題分為三個(gè)部分： 1. 殼聚糖生物復(fù)合駐極體的制備及表征 采用氣隙擊穿極化法和柵控恒壓電暈極化法對(duì)殼聚糖及其復(fù)合材料進(jìn)行極化，探討極化電壓、極化時(shí)間、極化溫度與材料駐極性能的關(guān)系，并比較不同方法制備樣品內(nèi)的電荷密度、橫向電荷均勻性及極化效率，儲(chǔ)電性能和機(jī)械性能。結(jié)果顯示柵控恒壓電暈

4、極化法較氣隙擊穿極化的方法，所需極化時(shí)間短，極化效果好，樣品儲(chǔ)電性能穩(wěn)定。在柵控恒壓電暈極化法中，70-75℃極化較常溫極化，駐極體具有更好的電荷儲(chǔ)存能力和儲(chǔ)電穩(wěn)定性，表明熱處理可以改善駐極體的儲(chǔ)電性能，選擇高溫柵控恒壓電暈極化法制備的樣品進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。高溫電暈極化的駐極體在PBS液中初始1天內(nèi)的表面電位迅速下降，之后電荷損失趨于緩和，表明駐極體表面淺阱電荷在液體環(huán)境中容易脫陷，而體內(nèi)深阱電荷在液體環(huán)境中較穩(wěn)定。CS/HA混合制備的復(fù)合

5、駐極體與殼聚糖駐極體相比，復(fù)合材料的力學(xué)性能得以提高，其拉伸模量增加，斷裂伸長(zhǎng)率下降，拉伸強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，但復(fù)合駐極體材料的儲(chǔ)電能力和儲(chǔ)電穩(wěn)定性較差，因此下一步實(shí)驗(yàn)選擇高溫柵控恒壓電暈極化的殼聚糖駐極體進(jìn)行礦化仿生合成殼聚糖復(fù)合生物駐極體。 2．殼聚糖生物駐極體的仿生礦化和體外降解研究 根據(jù)生物礦化原理，在體外模擬機(jī)體環(huán)境，研究殼聚糖生物駐極體的礦化行為并仿生合成殼聚糖生物復(fù)合駐極體材料。實(shí)驗(yàn)將殼聚糖生物駐極體浸泡在SB

6、F、SCS和ASS三種礦化液中，進(jìn)行駐極體的體外仿生礦化研究，觀察駐極體負(fù)電活性對(duì)仿生礦化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明殼聚糖生物駐極體負(fù)電活性具有誘導(dǎo)礦化能力，有助于類(lèi)骨磷灰石的沉積，增加礦化沉積的速度和沉積的量。兩種快速礦化的方法仿生制備殼聚糖復(fù)合生物駐極體，SCS礦化方法比ASS礦化法的礦化時(shí)間短，可合成高度仿生、具有良好生物活性的類(lèi)骨磷灰石，在組成和結(jié)構(gòu)上更加接近自然骨礦物質(zhì)。所以SCS礦化可作為制備殼聚糖復(fù)合生物駐極體的有效方法。仿生礦

7、化合成的復(fù)合駐極體材料較CS/HA簡(jiǎn)單共混制備的復(fù)合駐極體具有更好的生物活性和更優(yōu)良的電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性。體外降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示殼聚糖生物駐極體在溶菌酶溶液中降解較快，可能是由于負(fù)電活性激活溶菌酶的功能，溶菌酶活性增強(qiáng)，從而使殼聚糖生物駐極體具有更好的降解性能。 3．殼聚糖生物復(fù)合駐極體的體外生物學(xué)評(píng)價(jià) 電學(xué)微環(huán)境是體內(nèi)細(xì)胞所處的重要微環(huán)境之一，提高生物相容性的一個(gè)重要方面就是使材料盡量模擬自然的生理狀態(tài)，提供一個(gè)適合細(xì)胞粘附

8、、增殖和分化的微環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)密度梯度離心法成功分離培養(yǎng)了大鼠BMSCs，結(jié)合貼壁法獲得具有很強(qiáng)的體外增殖活性、純度較高的BMSCs。通過(guò)對(duì)駐極體表面成骨細(xì)胞和骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的粘附鋪展、增殖分化及生物合成功能等方面進(jìn)行研究，綜合評(píng)價(jià)殼聚糖生物復(fù)合駐極體的生物學(xué)性能。結(jié)果顯示：成骨細(xì)胞和BMSCs均對(duì)殼聚糖及復(fù)合駐極體表現(xiàn)出良好的親和性，細(xì)胞在材料表面4小時(shí)即具備了穩(wěn)定的粘附。細(xì)胞在駐極體材料表面立體生長(zhǎng)并非緊貼材料表面平鋪，表明其腹面

9、細(xì)胞膜皺褶多，膜活動(dòng)活躍，細(xì)胞代謝活動(dòng)旺盛。殼聚糖及復(fù)合駐極體能促進(jìn)成骨細(xì)胞和BMSCs的增殖和分化，并存在劑量關(guān)系，以-1kV組最為明顯，而-1.5kV組開(kāi)始出現(xiàn)對(duì)細(xì)胞增殖的抑制，細(xì)胞數(shù)量與未極化組相比明顯減少，差異顯著。本實(shí)驗(yàn)成功誘導(dǎo)出了成骨細(xì)胞表型的BMSCs，并隨著時(shí)間的推進(jìn)逐漸分化成熟。證明了殼聚糖生物復(fù)合駐極體作為骨修復(fù)材料可以誘導(dǎo)BMSCs骨向分化，促進(jìn)了細(xì)胞成骨特異性蛋白的表達(dá)。 綜上所述，本課題采用高壓電極化的