可控骨组织工程支架材料的仿生构建

论文摘要

为模拟天然骨组织的结构和成分,本研究以羟基磷灰石（HA）和壳聚糖（CS）为主要材料,利用间接快速原位成型（RP）、冷冻干燥和生物矿化技术制备了一系列具有可控结构、孔隙率和孔径的木垛型多孔复合支架。这些支架包括:HA/CS、HA/CS/PLLA木垛型支架、纳米-微米HA/CS木垛-网络型支架和生物矿化木垛型壳聚糖支架（BMCW）。通过改变材料的组成成分和结构,借助SEM、FTIR、XRD、细胞培养及压缩强度试验,研究了支架的形态、生物相容性和力学性能的变化。结果表明利用RP技术制备支架材料具有整体成型,批量制备,性质均一等特点,降低了平行试验中的个体差异;支架具有相互连通、直径为500μm的大孔及分布不均的微孔结构,以保证细胞接种和粘附以及血管和神经等的长入,大孔孔隙率为50 vol%;支架材料利于前体成骨细胞的分化,接种4周后,成骨细胞不仅沿大孔孔壁形成较厚的细胞复层,也渗透分布在支架细棱的微孔处,并且形成细胞-细胞及细胞-基体相互连接的网络,贯穿整个3D多孔支架;木垛网络型支架更接近于细胞生理环境,有利于真正的三维细胞培养,壳聚糖纤维网络有利于细胞的优先粘附和生长;在不影响支架生物相容性的前提下,纳米/微米级HA的共用,大大提高了支架的力学强度,nano-μm HA木垛-网络型复合支架具有更高的力学性能,压缩强度和压缩模量分别达到0.54±0.02 MPa和6.13±0.60 Mpa,但是粒子易渗出;通过生物矿化技术,以壳聚糖木垛型支架为模板,调控生长HA纳米晶体,在支架内形成了致密的高结晶度HA纳米晶体层,压缩强度和压缩模量分别达到0.54±0.005Mpa和5.47±0.65MPa,同时保证了支架的多孔结构,生物相容性和力学性能,该支架可应用于非承重骨组织工程支架材料。本研究同时探讨了乙醇/水共溶剂体系的矿化技术和矿化机理,此方法可以推广用于纳米HA的批量制备以及其他生物材料的快速矿化,将具有重大的理论和应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 前言
• 1.骨组织概述
• 1.1 骨的等级结构
• 1.2 骨组织的基本组成
• 1.3 骨的生物学特征
• 1.4 骨的发生
• 2.骨组织工程
• 2.1 组织工程（Tissue engineering）概论
• 2.2 骨组织工程研究
• 2.3 骨组织工程支架材料
• 2.4 几种常用骨组织工程生物材料简介
• 3.快速成型技术（RAPID PROTOTYPING TECHENIQUE,RP）
• 4.本论文研究设计方案与方法
• 第一章 木垛型HA/CS多孔复合支架的制备与表征
• 0.前言
• 1.材料与方法
• 1.1 试剂与仪器
• 1.2 模具设计
• 1.3 复合支架的制备
• 1.4 理化性能测试
• 1.5 生物相容性测试
• 2.结果与讨论
• 2.1 模具形貌与结构
• 2.2 复合支架材料形态
• 2.3 X射线衍射（XRD）分析
• 2.4 细胞培养试验
• 2.5 细胞形态观察
• 2.6 碱性磷酸酶（ALP）活性分析
• 2.7 组织学分析
• 3.小结
• 第二章 木垛型HA/CS/PLLA三维多孔复合支架的制备与表征
• 0.前言
• 1.材料与方法
• 1.1 复合支架的制备
• 1.2 理化性能测试
• 1.3 生物相容性测试
• 2.结果与讨论
• 2.1 复合支架材料形态
• 2.2 X射线衍射（XRD）分析
• 2.3 力学性能分析
• 2.4 细胞培养试验
• 2.5 细胞形态观察
• 2.6 碱性磷酸酶活性分析
• 2.7 组化分析
• 3.小结
• 第三章 木垛-网络结构纳米复合支架的制备与表征
• 0.前言
• 1.材料与方法
• 1.1 纳米羟基磷灰石的制备与表征
• 1.2 复合支架的制备
• 1.3 理化性能测试
• 1.4 细胞培养
• 2.结果与讨论
• 2.1 复合支架材料形态
• 2.2 FT-IR分析
• 2.3 X射线衍射（XRD）分析
• 2.4 力学性能分析
• 2.5 细胞培养试验
• 3.小结
• 第四章 壳聚糖多孔海绵的生物矿化
• 0.引言
• 1.材料与方法
• 1.1 壳聚糖海绵的制备
• 1.2 壳聚糖海绵矿化
• 1.3 分析与表征
• 2.结果与讨论
• 2.1.XRD结果
• 2.2.FTIR谱图分析
• 2.3.矿化海绵扫描电镜观察
• 2.4.TEM观察
• 2.5 力学强度测试
• 3.矿化机理讨论
• 3.1 溶液中晶体生成及壳聚糖基体的矿化
• 3.2 壳聚糖基体上HA聚集态
• 3.3 壳聚糖上形成的HA纳米膜
• 4.小结
• 第五章 生物矿化壳聚糖木垛型多孔支架
• 0.引言
• 1.材料与方法
• 1.1 壳聚糖木垛型支架的制备
• 1.2 壳聚糖木垛型支架的磷酸化改性
• 1.3 壳聚糖支架的矿化
• 1.3 分析与表征
• 2.结果与讨论
• 2.1.磷酸化改性壳聚糖反应机理
• 2.2.壳聚糖支架磷酸化改性分析
• 2.3.木垛型壳聚糖支架形貌
• 2.4.BMCW的XRD测试分析
• 2.5.BMCW-48h支架扫描电镜观察
• 2.6 力学强度测试
• 3.PCSM机理探讨
• 4.小结
• 结论
• 参考文献
• 博士期间主要参与的研究内容
• 博士学习期间获奖情况
• 博士学习期间主要发表论文
• 致谢