基于電紡納米纖維的仿骨組織工程支架材料的研究.pdf

1、在近二十年里骨組織工程支架材料由于在骨修復治療應用的巨大潛力而成為全世界的一個熱點研究領域。為此人們開發(fā)了多種骨組織工程支架材料的制備方法。但是如何解決骨組織工程支架材料要求的高孔隙率與高機械強度之間的矛盾仍然是一個棘手的問題。而在自然界，天然骨具有很高的孔隙率和力學強度，這是由于天然骨單元是由羥基磷灰石納米桿與膠原蛋白納米纖維復合組成的取向排列纖維構成。因此本論文的目的是通過將羥基磷灰石納米桿引入取向電紡納米纖維薄膜中模仿天然骨的結構

2、從而制備出具有良好生物相容性和生物力學性能的骨組織工程支架材料。
　　 本論文在本研究小組前期工作基礎上，對液相-固相-溶液相制備納米粒子方法進行改進，通過膠體金參考體系制備了不同尺寸的和分散性改進的羥基磷灰石納米桿。通過所制備樣品紅外表征結果與標準羥基磷灰石紅外圖譜對比，證實了制備材料為羥基磷灰石。透射電鏡表征結果表明反應溫度為90℃時，制備的羥基磷灰石納米桿的長度(L)為111±24nm，直徑(D)為10±2.7nm；反應溫

3、度為120℃時，制備的羥基磷灰石納米桿的長度(L)為212±32nm，直徑(D)為12±2.9nm；反應溫度為180℃時，制備的羥基磷灰石納米桿的長度(L)為189±30nm，直徑(D)為18±3.8nm。
　　 本論文利用靜電紡絲技術分別制備了無取向的和取向的納米纖維薄膜，掃描電鏡表征分析表明制備的納米纖維比較均勻。偏振紅外結果表明聚乳酸分子鏈和羥基磷灰石優(yōu)先沿平行納米纖維軸方向排列，透射電鏡表征表明大部分羥基磷灰石納米桿分布

4、在納米纖維內部并且優(yōu)先沿納米纖維軸方向排列，羥基磷灰石納米桿在納米纖維中存在明顯的團聚，且隨著羥基磷灰石納米桿含量的增加，團聚進一步加重。
　　 本論文對所制備的電紡薄膜進行拉伸實驗測試結果表明取向電紡薄膜沿平行納米纖維軸方向的拉伸強度(57.36±5.23MPa)高于無取向電紡薄膜拉伸強度(43.05±2.56MPa)；納米纖維的平均直徑對所制備的復合納米纖維薄膜的拉伸強度影響較小，而納米纖維中羥基磷灰石納米桿的尺寸對制備的復

5、合納米纖維薄膜的拉伸強度有顯著影響：通過將在反應溫度分別為90℃(L：111±24nm，D：10±2.7nm)，120℃(L：212±32nm，D：12±2.9nm)，180℃(L:189±30nm，D：18±3.8nm)下制備的不同尺寸的羥基磷灰石納米桿引入納米纖維中制備的復合納米纖維薄膜的拉伸實驗結果發(fā)現：復合納米纖維薄膜的拉伸強度分別為66.14±5.3MPa，75±2.59MPa和53.31±2.76MPa；復合納米纖維薄膜的拉

6、伸模量分別為96.91±4.34MPa，266.26±21MPa和131.41±14.76MPa。這說明細長的納米桿更能增強復合納米纖維薄膜的拉伸強度和拉伸模量，這可能是由于細長納米桿與聚乳酸高分子間作用力更強的原因。另外可以發(fā)現納米纖維中羥基磷灰石納米桿含量對復合納米纖維薄膜拉伸強度的影響也很明顯：不含羥基磷灰石納米桿的復合納米纖維薄膜的拉伸強度是57.36±5.23Mpa，含10wt％羥基磷灰石納米桿的復合納米纖維薄膜的拉伸強度是7

7、2.32±6.72MPa，含20wt％羥基磷灰石納米桿的復合納米纖維薄膜的拉伸強度是75±2.59MPa，含40wt％羥基磷灰石納米桿的復合納米纖維薄膜的拉伸強度是53.38±0.98MPa。根據紅外光譜和透射電鏡表征結果進一步解釋這個現象，大部分羥基磷灰石納米桿位于納米纖維的內部并且沿納米纖維軸方向排列，這種結構和骨結構類似，從而羥基磷灰石納米桿與聚乳酸分子能夠形成較強的相互作用，因此可以有效提高復合納米纖維薄膜的機械強度。當羥基磷灰

8、石納米桿的濃度增大但還沒有出現過度的團聚時，復合納米纖維薄膜的拉伸強度繼續(xù)提高。而當復合納米纖維薄膜中羥基磷灰石納米桿的含量增至40wt％時羥基磷灰石納米桿團聚過于嚴重將降低其與高分子間的作用力從而降低整個復合材料的機械強度。而且羥基磷灰石納米桿的分布不均也使得納米纖維中局部缺少高分子材料和/或缺少HA納米桿從而限制了復合納米纖維薄膜整體機械強度的提高，此外，由于HA納米桿團聚及分布不均還會導致納米纖維的嚴重變形即部分納米纖維片段細化并

9、因此影響復合納米纖維薄膜的整體機械強度。這些會在高含量HA納米桿的復合納米纖維薄膜中顯現其效果。而且由于在所有復合納米纖維薄膜中HA納米桿分布不均并且團聚都較為明顯，因此HA納米桿的增強作用還不是十分突出。這表明通過降低團聚及提高分布均勻性人們還將能夠進一步有效提高復合納米纖維薄膜的整體機械強度。
　　 本論文對制備的電紡薄膜進行了蛋白質吸附實驗和細胞培養(yǎng)實驗從而研本論文對制備的電紡薄膜進行了蛋白質吸附實驗和細胞培養(yǎng)實驗從而研究

10、電紡薄膜的生物相容性。通過紫外法，紅外法對所制備的電紡薄膜進行蛋白吸附實驗，結果表明當電紡薄膜的纖維直徑從700-1000nm降低為400-600nm和300-500nm時，電紡薄膜對于免疫球蛋白(IgG)，白蛋白(Alb)，纖維蛋白(Fib)這三種蛋白的吸附量均增大。蛋白吸附實驗結果與電紡薄膜的接觸角實驗結果相符合：隨著纖維直徑的降低，電紡薄膜的接觸角增大。對于纖維直徑更小的薄膜，表面能的影響和更高的比表面積增大了蛋白的吸附。另外發(fā)現

11、Alb與Fib的比值RA/F和Alb與IgG的比值RA/I(用于評價材料的凝血性能)隨纖維直徑的降低而增大。而RA/F和RA/I的增大會改善材料的血液相容性，因此我們可以通過簡單的調節(jié)納米纖維的直徑從而制備出具有不同凝血性能的材料，這對生物材料的研制具有指導意義。電紡薄膜與小鼠骨髓間充質干細胞共培養(yǎng)研究表明，細胞可以在電紡薄膜表面粘附生長，而且取向纖維可以誘導細胞取向生長；MTT實驗結果表明隨著纖維直徑從567±208nm增大到860±