聚乳酸表面的功能化及其与蛋白、细胞、组织的相互作用

论文摘要

通过物理、化学、生物等各种技术手段改善材料表面性能，可大幅度提高生物材料与生物体的相容性，是促进材料表面与生物体之间的有利相互作用、抑制不利相互作用的关键途径。本研究以聚乳酸材料为基材，对其表面进行功能化设计，研究功能化表面对蛋白分子吸附／解吸附性能和细胞／组织相容性的影响。 本研究采用碱水解处理和氨等离子体处理的方法、表面截留法和体外生物矿化的原理在聚乳酸材料表面得到3类功能化的表面：小分子活性基团功能化的表面；生物大分子仿生修饰的表面；钙磷涂层修饰的表面。通过各种分析技术对功能化表面的物理化学性能进行了表征。研究结果表明，在小分子活性基团功能化过程中，通过控制表面处理的条件（碱浓度、水解时间，处理功率、处理时间），可以控制材料表面的亲水性、活性基团密度和表面粗糙度。生物大分子仿生修饰研究结果表明，通过表面截留技术成功地得到壳聚糖、羧甲基壳聚糖、亚甲基磷酸化壳聚糖，肝素，透明质酸和硫酸软骨素修饰的聚乳酸表面。在聚乳酸表面钙磷涂层修饰实验中，羧基化的聚乳酸表面够较快的诱导聚乳酸表面钙磷涂层的生成，生成的钙磷涂层由具有纳米尺寸的晶体构成的基质和颗粒组成，钙磷涂层的主要成份是结晶比较松散的羟基磷灰石。 在生物相容性研究中，研究的主要内容是细胞和组织相容性，而对于其基础——蛋白质的吸附研究的很少，然而从生物学角度来说，细胞在生物材料表面的粘附，增殖以及分化是由蛋白介导的，考察材料的表面对蛋白吸附／解吸附性能的影响对于提高细胞／组织相容性的认识具有重要意义。本研究以功能化的聚乳酸表面为基础，选择与细胞粘附最相关的3种蛋白（纤粘连蛋白Fn，层粘连蛋白Ln，玻粘连蛋白Vn）用于吸附／解吸附性能研究。采用125I同位素标记的方法，研究了3种蛋白在功能化聚乳酸表面上的吸附／解吸附性能。首先，分别考察了3种蛋白在不同功能化表面等温吸附和吸附动力学。其次，研究了不同浓度牛血清白蛋白（BSA）、胎牛血清（FCA）和3种蛋白在功能化聚乳酸表面的竞争吸附性能。最后，对吸附在功能化聚乳酸表面的3种蛋白在BSA溶液中的解吸附性能进行了研究。单一蛋白的等温吸附和吸附动力学研究表明，在本实验的浓度和时间范围内，蛋白浓度和功能化的表面对蛋白平衡吸附量和吸附速率的影响很大；其次，BSA和血清的加入竞争性的减少了功能化表面对蛋白的吸附，且随BSA和血

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 生物材料简介
• 1.1 表面性能
• 1.2 本体化学
• 1.3 拓扑形貌
• 1.4 生物材料的发展
• 第二节 细胞/组织与生物材料相互作用
• 2.1 细胞与细胞外基质
• 2.2 蛋白与表面相互作用
• 2.3 细胞与表面相互作用
• 2.4 组织与表面相互作用
• 第三节 生物材料的生物相容性的设计
• 3.1 生物相容性
• 3.2 生物相容性的仿生化设计
• 3.3 生物材料的表面修饰与表征技术
• 第四节 研究背景与实验方案
• 参考文献
• 第二章 聚乳酸表面小分子活性基团的功能化
• 第一节 引言
• 第二节 聚乳酸表面的羧基和氨基的功能化
• 2.1 材料与仪器
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 聚乳酸膜材料的制备
• 2.2.2 化学水解法修饰聚乳酸材料表面
• 2.2.3 氨等离子处理聚乳酸材料表面
• 2.2.4 羧基和氨基化聚乳酸表面的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 聚乳酸膜材料的制备
• 2.3.2 碱水解法修饰聚乳酸表面材料的表征
• 2.3.3 氨等离子处理聚乳酸表面材料的表征
• 第三节 本章小结
• 参考文献
• 第三章 PLLA表面生物大分子的功能化
• 第一节 引言
• 第二节 壳聚糖衍生物的合成
• 2.1 材料与仪器
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 羧甲基壳聚糖的制备
• 2.2.2 亚甲基磷酸化壳聚糖的合成
• 2.2.3 羧甲基壳聚糖的表征
• 2.2.4 亚甲基磷酸化壳聚糖的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 红外图谱表征:
• 2.3.2 取代度与特性粘度
• 第三节 聚乳酸表面的生物大分子修饰
• 3.1 材料与仪器
• 3.2.实验部分
• 3.2.1 生物大分子修饰
• 3.2.2 XPS表征与分析
• 3.2.3 表面接触角测量
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 壳聚糖功能化表面的XPS分析
• 3.3.2 羧甲基壳聚糖功能化表面的XPS分析
• 3.3.3 亚甲基磷酸化壳聚糖功能化表面的XPS分析
• 3.3.4 肝素功能化表面的XPS分析
• 3.3.5 硫酸软骨素功能化表面的XPS分析
• 3.3.6 透明质酸功能化表面的XPS分析
• 3.3.7 PLLA功能化表面的C、O、N元素分布及比例
• 3.3.8 修饰表面的亲水性测量
• 第四节 本章小结
• 参考文献
• 第四章 PLLA表面矿化涂层修饰
• 第一节 引言
• 第二节 模拟体液生物矿化
• 2.1 主要材料与仪器
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 模拟体液的配制
• 2.2.2 生物矿化修饰
• 2.2.3 材料结构表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 材料的表面修饰
• 3.3.2 钙磷涂层的SEM观察
• 3.3.3 矿化涂层的钙磷分布及成分分析
• 3.3.4 矿化涂层表面形貌的AFM观察
• 3.3.5 矿化涂层的XRD分析
• 3.3.6 ICP分析
• 第三节 本章小结
• 参考文献
• 第五章 功能化聚乳酸表面蛋白吸附性能研究
• 第一节 引言
• 第二节 蛋白的标记与纯化
• 2.1 主要材料与仪器
• 2.2 蛋白标记
• 第三节 单一蛋白吸附性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 等温吸附
• 3.2.2 吸附动力学
• 第四节 二元蛋白吸附性能研究
• 4.1 实验部分
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 BSA对Fn吸附性能的影响
• 4.2.2 BSA对Ln吸附性能的影响
• 4.2.3 BSA对Vn吸附性能的影响
• 第五节 血清蛋白吸附性能研究
• 5.1 实验部分
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 血清对Fn吸附性能的影响
• 5.2.2 血清对Ln吸附性能的影响
• 5.2.3 血清对Vn吸附性能的影响
• 第六节 蛋白的解吸附性能研究
• 6.1 实验部分
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 Fn解吸附性能研究
• 6.2.2 Ln解吸附性能研究
• 6.2.3 Vn解吸附性能研究
• 第七节 本章小结
• 参考文献
• 第六章 功能化聚乳酸表面的细胞相容性研究
• 第一节 引言
• 第二节 成骨细胞的分离培养与初步鉴定
• 2.1 主要材料与仪器
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 成骨细胞的分离
• 2.2.2 成骨细胞的纯化
• 2.2.3 成骨细胞的鉴定
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 分离培养
• 2.3.2 成骨细胞的鉴定
• 第三节 活性基团功能化的表面对细胞性能的影响
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 细胞粘附率的测定
• 3.1.2 细胞增殖率及相对活力的测定
• 3.1.3 细胞周期的测定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 细胞粘附率的测定
• 3.2.2 细胞增殖率的测定
• 3.2.3 细胞周期的测定
• 第四节 生物大分子功能化表面对细胞性能的影响
• 4.1 实验部分
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 细胞粘附率的测定
• 4.2.2 细胞增殖率及相对活力的测定
• 4.2.3 细胞周期的测定
• 第五节 钙磷涂层功能化的表面对细胞性能的影响
• 5.1 实验部分
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 细胞粘附率的测定
• 5.2.2 细胞增殖率及相对活力的测定
• 5.2.3 细胞周期的测定
• 第六节 吸附蛋白对细胞性能的影响
• 6.1 实验部分
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 细胞粘附率的测定
• 6.2.2 细胞增殖率及相对活力的测定
• 6.2.3 细胞周期的测定
• 第七节 本章小结
• 参考文献
• 第七章 三维支架材料的表面功能化及体内外生物学研究
• 第一节 引言
• 第二节 三维支架材料的制备及修饰
• 2.1 材料与仪器
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 三维支架材料的制备
• 2.2.2 三维支架的表面功能化
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 三维支架材料的制备
• 2.3.2 三维支架材料的修饰
• 第三节 三维支架材料的体外细胞培养
• 3.1 材料与仪器
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 细胞培养
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 成骨细胞在水解修饰的支架中的生长
• 3.3.2 成骨细胞在氨等离子体处理的支架中的生长
• 3.3.3 成骨细胞在矿化处理的支架中的生长
• 第四节 三维支架材料的体内植入试验
• 4.1 材料与仪器
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 肌袋实验
• 4.2.2 裸鼠皮下成骨实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 肌袋实验
• 4.3.2 裸鼠皮下埋植
• 第五节 本章小结
• 参考文献
• 第八章 全文总结
• 1.主要结论
• 1.1 功能化表面的设计
• 1.2 功能化聚乳酸表面对蛋白吸附性能的影响
• 1.3 功能化聚乳酸表面的细胞相容性研究
• 1.4 功能化三维聚乳酸表面的细胞/组织相容性研究
• 2.论文的特色与创新性
• 3.问题与展望
• 3.1 实验中存在的问题
• 3.2 研究展望
• 附录
• 致谢