具有形狀記憶效應(yīng)的多功能骨組織工程支架的構(gòu)建研究.pdf

1、可生物降解的形狀記憶聚合物(SMPs)是一類新型功能高分子材料。將這類材料應(yīng)用于骨組織修復(fù)時(shí)，除了可以實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)植入和生物降解，還能在應(yīng)用中持續(xù)施加生物力學(xué)刺激，提高對骨缺損的修復(fù)和再生功效。近年來，電紡絲(Electrospinning)被廣泛用于制備具有高比表面積和孔隙率的納米纖維支架，與傳統(tǒng)的其他形式的組織工程支架相比，電紡納米纖維支架具有高度仿生天然細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的結(jié)構(gòu)和可為細(xì)胞提供理想的生存微環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。然而，目前關(guān)于利用

2、SMPs結(jié)合電紡絲技術(shù)制備具有納米纖維結(jié)構(gòu)的支架并研究其對成骨細(xì)胞生長行為研究的報(bào)道還很少，對仿生納米纖維的形狀回復(fù)效應(yīng)及用于骨缺損（如骨釘孔）修復(fù)時(shí)的功效的認(rèn)識(shí)也還十分有限。
　　本文首先利用一種新型的形狀記憶高分子聚乳酸-聚三甲基碳酸酯（PDLLA-TMC，簡寫成PLMC），通過電紡絲技術(shù)制備具有納米纖維結(jié)構(gòu)的SMP電紡膜，并評估該多功能纖維支架的成骨能力。研究取得了如下結(jié)果:PLMC電紡膜擁有良好的纖維形貌，隨著PLMC中的

3、DLLA∶TMC比例（從5∶5，7∶3，8∶2到9∶1）的升高，纖維直徑從1500nm下降為700nm，而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度即該SMP電紡膜的形狀回復(fù)溫度從19.2℃升高到44.2℃，溫度變化范圍很適合應(yīng)用于人體內(nèi)部。形狀記憶測試表明，PLMC電紡膜擁有較好的形狀記憶效應(yīng)，其形狀固定率和形狀回復(fù)率分別超過94％和98％。形狀記憶效果演示顯示，基于PLMC納米纖維的2-D和3-D結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)了很快的形狀回復(fù)速率（在39℃完全回復(fù)僅需要大約10s

4、）。成骨細(xì)胞在該SMP電紡膜上的增殖良好，同時(shí)這種具有形狀記憶效應(yīng)的PLMC納米纖維支架能較好地促進(jìn)成骨細(xì)胞的堿性磷酸酶(ALP)表達(dá)和礦化。
　　基于上面的研究結(jié)果，本研究接著在PLMC納米纖維中引入具有卓越生物相容性和骨傳導(dǎo)性的羥基磷灰石(HAp)，制備PLMC/HAp復(fù)合納米纖維支架，評估HAp的引入對PLMC形狀記憶效應(yīng)及成骨性能的影響。研究取得了如下結(jié)果:在低含量時(shí)，HAp能較好地在PLMC納米纖維中分散，但當(dāng)HAp和P

5、LMC的質(zhì)量比超過2∶8時(shí)，會(huì)出現(xiàn)HAp納米顆粒的團(tuán)聚。HAp的引入能夠一定程度上提高PLMC納米纖維的熱穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)HAp的含量，可以使玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在45.7～51.5℃的范圍內(nèi)波動(dòng)，而最大斷裂強(qiáng)度增加5倍左右。值得注意的是，引入HAp也能使PLMC納米纖維的形狀回復(fù)力增加，這對于形狀記憶材料應(yīng)用于人體內(nèi)部時(shí)施加力學(xué)刺激具有重要意義。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，HAp的引入能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞在PLMC納米纖維膜上的增殖，并且促進(jìn)成骨細(xì)

6、胞的堿性磷酸酶(ALP)表達(dá)和成骨礦化，顯示出用于體內(nèi)骨缺損修復(fù)的潛力。
　　最后，針對現(xiàn)在普遍利用熱刺激來激發(fā)SMPs的形狀記憶效應(yīng)的不足，本研究初步探索了采用超聲作為一種遠(yuǎn)程控制手段，來實(shí)現(xiàn)在利用超聲使載藥支架進(jìn)行形狀回復(fù)的同時(shí)，也具有隨意(On-demand)控制釋放藥物的可行性。為此，我們利用水包油包水雙乳化法(Doubleemulsion)制備出載有模式藥物溶菌酶(Lyz)的經(jīng)殼聚糖(CTS)修飾的聚乳酸-乙醇酸(PLG

7、A)微球，并利用低溫微球焙燒方法制備出直徑為5mm的圓柱形3-D支架。然后利用高強(qiáng)度聚焦超聲協(xié)同控制這種3-D支架的形狀回復(fù)和藥物釋放效應(yīng)。研究取得如下結(jié)果:通過在PLGA微球表面修飾不同含量的CTS，可以使微球的相轉(zhuǎn)變溫度Ttrans在45到50℃之間調(diào)節(jié)，同時(shí)也能一定程度上影響這種3-D支架的形狀回復(fù)率。形狀記憶和藥物釋放測試證明了超聲能夠控制形狀回復(fù)過程，并且同時(shí)控制Lyz從支架中釋放，實(shí)現(xiàn)脈沖給藥模式。另外，通過調(diào)節(jié)超聲的強(qiáng)度和