聚己內(nèi)酯基骨組織工程支架的制備和性能.pdf

1、近年來(lái)，由于創(chuàng)傷、外科切除術(shù)后或先天畸形造成的骨缺損的重建仍然是骨科和頜面外科臨床實(shí)踐所面臨的重大問(wèn)題。骨組織包含占干重65-70％的無(wú)機(jī)成分，主要是羥基磷灰石，占干重30-35%的有機(jī)基質(zhì)，主要是膠原，包含骨組織有機(jī)成分和無(wú)機(jī)成分以及具有骨組織再生能力的骨膜結(jié)構(gòu)的生物活性支架可作為自體移植的替代品。
　　聚己內(nèi)酯（PCL）由于具有良好的生物相容性和加工性能廣泛用于組織工程中，但由于其高疏水性和體內(nèi)的低降解性使它不適合在體內(nèi)長(zhǎng)期應(yīng)

2、用。但聚己內(nèi)酯具有良好的力學(xué)強(qiáng)度。PLGA構(gòu)成骨架的優(yōu)點(diǎn)是比表面積大，有利于細(xì)胞黏附和養(yǎng)分?jǐn)U散，對(duì)細(xì)胞存活和生長(zhǎng)有利。納米羥基磷灰石（nHA）的結(jié)構(gòu)非常接近天然骨中的無(wú)機(jī)組成成分，易于形成骨性結(jié)合并能有效促進(jìn)成骨細(xì)胞粘附、增殖及分泌基質(zhì)。純化的納米羥基磷灰石的直徑為20-40 nm，包含官能團(tuán)OH，能在一定程度上中和PLGA在降解過(guò)程中產(chǎn)生的酸性產(chǎn)物，降低周圍組織的炎性反應(yīng)。殼聚糖（CS）是天然的聚陽(yáng)離子多糖，可促進(jìn)多種細(xì)胞的黏附與表達(dá)

3、。聚酰胺（PA）是一類性能優(yōu)良的醫(yī)用高分子材料，在結(jié)構(gòu)上與人體膠原蛋白分子十分相似。
　　骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）是一種成體干細(xì)胞，具有免疫原性低、獲取容易、較少的倫理問(wèn)題和較低的腫瘤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，常被作為骨組織工程理想的種子細(xì)胞。
　　本論文旨在以聚己內(nèi)酯作為基體，采用熔融共混/粒子瀝濾的工藝路線，與不同高分子聚合物共混，引入納米羥基磷灰石增強(qiáng)聚合物的生物活性，以NaCl和PVP作為共同致孔劑，通過(guò)熔融成型與致孔劑瀝濾

4、相結(jié)合的方法制成多孔復(fù)合骨支架材料。分析支架材料的結(jié)構(gòu)，對(duì)支架的性能進(jìn)行了評(píng)估，探索了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在支架上的粘附、增殖和分化，以及成骨相關(guān)基因的表達(dá)情況。本論文主要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作：
　　1.支架制備：以聚己內(nèi)酯為基體，分別與不同高分子聚合物PLGA、殼聚糖、聚酰胺共混，加入納米羥基磷灰石，制備了新型功能性的多孔骨組織支架材料。
　　2.支架的表征：掃描電鏡（SEM）顯示聚合物纖維很好融入到PCL基體中，聯(lián)通了分散

5、的單孔，保持了必要的空間互聯(lián)孔隙網(wǎng)絡(luò)。支架的孔隙率為64.47±0.05%到75.74±1.21%；支架的平均孔徑為154.36±1.32μm到179.07±0.75μm。利于細(xì)胞的黏附、遷移和物質(zhì)傳輸。傅里葉紅外光譜（FTIR）、X線衍射（XRD）、熱重分析（TGA）證實(shí)了孔隙表面的納米結(jié)構(gòu)是由羥基磷灰石組成。PCL與高分子聚合物共混后具有較強(qiáng)的改善支架力學(xué)性能的作用。支架的拉伸強(qiáng)度為127±2 MPa到147±5 MPa，壓縮強(qiáng)度為

6、39±2 MPa到47±2 MPa，24周降解率為32.31±1.93%到37.52±1.69%。支架3-6個(gè)月逐漸降解，既能維持骨修復(fù)中的支架形態(tài)，又能當(dāng)復(fù)合材料植入機(jī)體病損部位后，生物支架被降解吸收，但種子細(xì)胞繼續(xù)增殖，形成新的骨組織。
　　3.體外評(píng)價(jià)BMSCs在支架材料上的成骨分化潛能：BMSCs在支架材料上培養(yǎng)7-21天。14天后，PCL復(fù)合支架材料上的單個(gè)細(xì)胞已難以看見(jiàn)，并且已經(jīng)長(zhǎng)入孔中，細(xì)胞層和細(xì)胞外基質(zhì)層繼續(xù)增厚將

7、支架基本完全覆蓋，而且細(xì)胞基質(zhì)層表面顯得很光滑。細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，PCL聚合物共混體系形成的互通納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使細(xì)胞獲得了更多的營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)了BMSCs細(xì)胞的增殖。堿性磷酸酶作為早期成骨標(biāo)記之一，用于評(píng)價(jià)支架材料的骨誘導(dǎo)潛力，進(jìn)一步檢測(cè)其活性，用于評(píng)價(jià)BMSCs細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的潛能。對(duì)于PCL復(fù)合支架，培養(yǎng)到14天，ALP均呈現(xiàn)出高活性，第7天活性達(dá)到最高值；從第14天到第21天， ALP活性持續(xù)降低，表明支架上的

8、成骨細(xì)胞標(biāo)志物減少，BMSCs細(xì)胞在支架上繼續(xù)分化并逐漸成熟。茜素紅染色表明有大量鈣沉積和礦物形成。實(shí)時(shí)定量PCR（RT-PCR）檢測(cè)骨相關(guān)基因Runx2、OPN、OCN、BMP-2、collagen I、integrin a1、integrin b1和 SLP的表達(dá)顯著增高，表明該支架可促進(jìn)BMSCs向成骨細(xì)胞分化、增殖和成熟。
　　4.體內(nèi)評(píng)價(jià)復(fù)合支架材料的成骨生物活性：體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，復(fù)合支架被植入兔顱骨缺損模型。微米X線三維成

9、像、HE染色和免疫組化結(jié)果顯示，支架材料是可降解的，同時(shí)具有良好的生物相容性以及誘導(dǎo)骨再生的能力。
　　用熔融共混/粒子瀝濾工藝制備了具有一定機(jī)械強(qiáng)度和可控降解速率的多孔復(fù)合以PCL為基體，與高分子聚合物和納米羥基磷灰石復(fù)合的骨支架材料，有接近天然骨基質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)特征，支持細(xì)胞的粘附、傳播、促進(jìn)細(xì)胞活力和增殖。避免了傳統(tǒng)合成過(guò)程中有機(jī)溶劑對(duì)機(jī)體的影響，具有良好的生物相容性。支架材料的骨誘導(dǎo)活性體外實(shí)驗(yàn)使用人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，評(píng)估