论文摘要
21世纪科学与技术发展的前沿之一是可再生资源的原料及环境友好、可持续发展的方法和过程。纤维素作为地球上储量最丰富的生物质资源已广泛地用于制备生物医用材料如敷料、透析膜、支架材料、药物载体等。本论文旨在利用本实验室开发的新溶剂——碱／尿素水溶液体系在低温下溶解纤维素,并制备新型的再生纤维素材料,如膜、水凝胶、微球和海绵。同时,表征它们的结构和性能,并评价它们在生物分析、细胞培养、药物释放等方面的应用前景。本论文的创新点如下：（1）利用低温溶解的纤维素溶液制备的纤维素／明胶复合膜,构建生物相容性材料,并可用作细胞培养基底；（2）利用安全的天然产物京尼平作为交联剂对纤维素/胶原蛋白水解物复合膜进行处理,构建具有较高强度且生物相容的新材料；（3）首次利用纤维素构建全水凝胶结构的微流控芯片,它具有良好的结构复制性能、力学性能和细胞相容性,并能使可溶性因子在其内部形成稳定的浓度梯度；（4）采用微流控技术成功制备出尺寸可控且分布较窄的纤维素微球,它们可作为优良的药物载体,整个微球制备过程简单、高效并易于推广；（5）基于低温溶解的纤维素溶液成功制备出纤维素及纤维素／明胶复合海绵,它们具有良好的力学性能、保水性、生物相容性及缓释生长因子的功能。本论文的主要内容与结论包括以下部分。首先,将纤维素溶解在预冷到-12℃的NaOH/尿素溶剂体系中,并制备出纤维素膜,然后经明胶溶液处理后得到纤维素/明胶复合膜（C/G）。将纤维素与明胶复合提高了明胶的抗水性,使明胶可在湿态下应用。实验结果证明纤维素的羟基和明胶分子的氨基和酰胺基团有较强的氢键作用,通过非共价键力构筑它们的超分子结构。这种复合材料具有良好的共混相容性和力学性能,当复合膜中蛋白质含量低于22.3%时,复合膜具有最佳的力学性能。用戊二醛作为交联剂对复合膜进行化学交联可以进一步改善复合膜的力学性能及耐水性。细胞培养试验证明该复合膜能够粘附细胞并促进它生长。通过NaOH/尿素溶剂体系低温溶解纤维素,制备一系列纤维素/胶原蛋白水解物复合膜。复合膜中蛋白质的含量可以通过改变胶原蛋白溶液的浓度来调节。实验证明纤维素的羟基与胶原蛋白水解物的氨基酸基团发生较强的氢键相互作用,从而使蛋白质固定在纤维素网络中。京尼平作为一种安全的交联剂,进一步提高复合膜的力学性能和在水中的稳定性。细胞培养实验和MTT毒性试验结果证明,交联前后的复合膜均能促进细胞粘附和增殖,具有较好的生物相容性,这主要是胶原蛋白水解物的贡献。因此,这种安全的、可生物降解和生物相容的复合膜在生物医用领域具有应用的潜力。首次将纤维素水凝胶成功用于构建微流控芯片。通过交联得到纤维素水凝胶,分别利用软刻蚀法和模具法制备带有2D和3D微结构的纤维素水凝胶。纤维素（RCC）和纤维素／胶原蛋白（RCC/C）水凝胶显示优良的微结构复制能力、力学性能和细胞相容性,而且RCC/C具有更佳的细胞相容性。经过高温高压灭菌后,带有2D和3D微结构的纤维素水凝胶仍能保持形状及微结构的稳定性。纤维素水凝胶对细胞荧光染色观察不产生背景干扰,同时能保证其内部染料荧光行为的正常表达。在RCC/C复合水凝胶中,胶原蛋白填充到纤维素水凝胶内部,不仅促进细胞的生长和增殖,也使可溶性因子在水凝胶内产生稳定的浓度梯度。这种纤维素基水凝胶安全、无毒而且其多孔结构为细胞的三维生长提供更多空间,足以模拟细胞外微环境,用于进一步研究细胞在微环境因素作用下的迁移。此工作开辟了一一种利用天然高分子构建微流控芯片的新途径。利用LiOH/尿素水体系低温溶解纤维素,并通过微流控技术制备出尺寸分布较窄的纤维素微球。纤维素溶液通过连续相均匀的剪切作用形成尺寸均一的纤维素微液滴,继而进一步形成尺寸分布较窄的纤维素微球。纤维素微液滴和纤维素微球的尺寸可以通过调节分散相和连续相流速比来控制,所制备的纤维素微球尺寸范围为170～420μm,其尺寸分布指数在3%～6%之间。纤维素微球内部呈微纤网络结构,而且随纤维素溶液浓度增加,微球网络结构变得更加致密。以盐酸阿霉素为药物模型,评价了纤维素微球的载药和释药功能。药物包封率可达到80%,它依赖于纤维素微球的质量。由4%纤维素溶液制备的纤维素微球的微纤网络较致密并具有良好的药物释放性能。本工作中微球制备的过程简单并高效,该纤维素微球具有在生物医药领域的应用潜力。利用纤维素溶液,通过交联和冷冻干燥的方法成功制备出新型再生纤维素海绵（RC）和纤维素/明胶（RC/G）复合海绵。海绵材料具有多孔结构,复合海绵中的明胶通过氢键作用结合在纤维素的孔壁和孔洞中。纤维素海绵具有良好的尺寸稳定性和保水性,明胶的加入明显提高纤维素海绵的保水性和力学性能。幼鼠成纤维细胞培养实验和MTT毒性实验表明,细胞可以在海绵中呈三维尺度方向生长。加入一定量明胶与纤维素复合可以促进细胞在材料生的粘附和增殖。bFGF缓释实验表明,纤维素基海绵具有控制生长因子释放的能力,明胶的加入能提高海绵生长因子负载量并减慢缓释速度。这种新型的纤维素海绵材料具有用于创伤敷料和组织工程支架材料的潜力。基于以上,利用绿色、安全的方法构建出一系列生物医用材料,它们具有优良的生物相容性和在生物分析和组织工程领域的应用潜力。这些基础研究成果提供了新型纤维素材料在生物医用领域应用的新思路,并推动天然高分子材料在生物材料领域的应用。因此,本论文不仅具有重要的学术价值而且具有在生物材料领域应用前景。