用于局部快速止血和骨修复的可降解介孔硅基干凝胶设计制备与性能研究

论文摘要

战创伤救治是军事医学科学发展的重中之重,特别是现代战争和重大突发事件所导致的大面积群死群伤,使得特种高性能生物材料及制品成为大面积创伤和战伤救治的重要物资基础与保障。失血和骨损伤是战伤造成死亡的两个重要原因,也是创伤急救以及外科手术经常遇到的难题。因此,开发能将平时创伤救治与战时急救相互结合的,并具有显著止血和创面修复效果的新型止血材料以及具备优良生物相容性和降解能力的骨修复材料具有重要的社会意义。论文以纳米介孔氧化硅基材料为基质,利用其可控的多孔结构和吸附能力,借助多种促凝成分的参与,研制出安全、高效的局部止血材料,并对其止血机理进行系统研究。利用纳米介孔氧化硅基材料优良的生物活性和降解性能,通过调控介孔孔径以及引入成骨因子,开发出高活性、可降解的骨组织修复材料,并对其成骨及降解机理进行初步探索。采用正硅酸乙酯为前驱体,采用改进的溶胶凝胶和离子交换方法,通过合成体系组分的调控制备含钙银可降解介孔氧化硅材料（AgCaMSS）,此种材料具有有序六方相孔道结构和高比表面积。体外降解和释放实验表明,材料具有良好的降解性能,释放的银离子浓度在24h达到峰值。体外凝血实验表明,材料具有良好的促凝血作用,通过促进内源性凝血系统的启动来显著缩短活化部份凝血活酶时间,实现了有效止血；材料表面特征明显促进血小板黏附,诱导血小板激活并在材料表面发生变形和铺展。动物体内止血实验显示,AgCaMSS材料对兔耳缘静脉出血模型、肝脏创伤模型以及股动脉出血模型具有快速、高效的止血效果,最短止血时间分别为9.3s、11.3s和19.1s；对大型哺乳动物大动脉出血的止血成功率高,效果显著,且发热量低。抗菌实验显示材料对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都表现出较高的抗菌性能,具有持久稳定抑菌效果。材料无明显细胞毒性,细胞毒性等级为合格。植入动物体后的材料短期内会导致一定炎性反应,但于3个月降解完全,显示良好组织相容性。以介孔氧化硅为内核,以具有止血活性的壳聚糖为外壳,通过相转移和分子印迹原理制备了具有介孔硅干凝胶内核和大孔壳聚糖外壳的CSSX复合止血剂。体外凝血实验表明,CSSX材料显著缩短活化部份凝血活酶时间；其介孔硅干凝胶内核和大孔壳聚糖外壳分别通过表面负电荷和表面正电荷,以不同的止血机理和多个环节协同实现促进凝血。动物止血实验显示,CSSX止血剂对兔耳缘静脉出血模型、肝脏创伤模型、脾脏创伤模型以及股动脉出血模型具有快速、高效的止血效果,最短止血时间分别为20.7s、12.1s、72.6和95.5s。材料对出血部位的血管及肌肉组织安全、无损伤,未见明显坏死及炎性反应等。制备的止血剂能够显著促进组织生长,缩短治疗周期,皮肤愈合后创面无疤痕。材料无溶血、皮肤刺激以及致敏作用；细胞试验显示细胞形态、生长以及增殖未见明显损害,材料不具有细胞毒性,且相容性良好。采用不同类型的致孔剂以及通过水热合成技术,通过调控合成体系的组分,获得了一系列具有不同孔径的、含有钙镁元素的介孔钙镁掺杂的硅基干凝胶材料；通过负载基因重组人骨形态发生蛋白（rhBMP-2）,获得一种高活性、复合型rhBMP-2/CMMS材料。体外实验表明,材料降解性能良好,具有]rhBMP-2蛋白缓释性能,体外生物活性良好,对细胞增殖和分化以及碱性磷酸酶合成能力无不良影响。异位成骨实验表明,材料异位诱导成骨能力显著。动物体内植入实验中,动物骨缺损处新生骨生成量和材料降解百分率均随时间延长而增加,其中rhBMP-2/CMMS-20材料三个月骨形成面积高达56.8%,表明该材料能够显著加速骨缺损的修复进程,适合作为一种新型的骨缺损修复材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第1章 文献综述
• 1.1 局部止血材料的研究进展
• 1.1.1 研制战伤和急救止血材料的重要性
• 1.1.2 传统止血材料存在的问题
• 1.1.3 局部止血材料的作用机理
• 1.1.4 凝血和止血机理
• 1.2 骨修复材料的研究进展
• 1.2.1 现有的骨组织修复材料及其存在的问题
• 1.2.2 骨组织的建造与重建机理
• 1.2.3 骨修复材料的活性化修饰
• 1.2.4 材料的多孔结构与可降解性研究
• 1.3 有序介孔材料的特点及其在生物材料中的应用
• 1.3.1 介孔材料的分类与结构特点
• 1.3.2 有序介孔材料的合成途径与性能表征
• 1.3.3 介孔材料在生物医学中的应用
• 1.4 本课题研究意义、目的和主要研究内容
• 1.4.1 本课题的研究意义和目的
• 1.4.2 本课题的研究内容
• 第2章 含钙银有序介孔硅抗菌止血材料的制备和表征
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 含钙银有序介孔硅的制备
• 2.2.2 材料的表征
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 材料的制备
• 2.3.2 材料的孔结构分析
• 2.3.3 材料的组成分析
• 2.3.4 材料的形貌观察
• 2.3.5 材料的结构分析
• 2.3.6 材料的降解性能分析
• 2.4 结论
• 第3章 含钙银有序介孔氧化硅的止血性能及其凝血机理的研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 实验动物和材料
• 3.2.2 凝血弹性描记测定（Thromboelastography,TEG）
• 3.2.3 活化部分凝血活酶时间（aPTT）和凝血酶原时间（PT）测定
• 3.2.4 血小板黏附测试
• 3.2.5 Zeta电势测试
• 3.2.6 吸水率测试
• 3.2.7 兔耳缘静脉创伤止血模型
• 3.2.8 兔肝脏创伤止血模型
• 3.2.9 兔股动脉创伤止血模型
• 3.2.10 猪股动脉创伤止血模型
• 3.2.11 材料放热性能测试
• 3.2.12 抗菌性能测试
• 3.2.13 细胞毒性实验
• 3.2.14 体内植入组织学观察
• 3.2.15 统计方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 材料体外凝血测试
• 3.3.2 动物体内止血实验
• 3.3.3 放热性能测试
• 3.3.4 抗菌性能测试
• 3.3.5 生物相容性研究
• 3.4 结论
• 第4章 纳米介孔硅/壳聚糖复合止血材料的制备和表征
• 4.1 引言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 介孔硅/壳聚糖复合止血剂的制备
• 4.2.2 透射电子显微镜观察
• 4.2.3 比表面积和孔径分析
• 4.2.4 扫描电子显微镜观察
• 4.2.5 X射线衍射分析
• 4.2.6 热失重和差示扫描量热分析
• 4.2.7 傅里叶红外光谱分析
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 材料的制备
• 4.3.2 材料结构分析与形貌观察
• 4.3.3 材料物化性质分析
• 4.4 结论
• 第5章 纳米介孔氧化硅/壳聚糖复合材料的止血性能及其凝血机理的研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 实验动物和材料
• 5.2.2 APTT和PT测定
• 5.2.3 Zeta电势测试
• 5.2.4 吸水率测试
• 5.2.5 扫描电子显微镜观察
• 5.2.6 兔耳缘静脉创伤止血模型
• 5.2.7 兔肝脏创伤止血模型
• 5.2.8 兔脾脏创伤止血模型
• 5.2.9 兔股动脉创伤止血模型
• 5.2.10 组织学观察
• 5.2.11 兔皮肤愈合实验
• 5.2.12 溶血实验
• 5.2.13 皮肤致敏实验
• 5.2.14 细胞毒性实验
• 5.2.15 统计方法
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 体外凝血测试
• 5.3.2 动物体内止血实验
• 5.3.3 组织学观察
• 5.3.4 兔皮肤愈合实验
• 5.3.5 生物相容性研究
• 5.4 结论
• 第6章 可降解rhBMP-2/介孔钙镁硅基干凝胶的制备和表征
• 6.1 引言
• 6.2 材料和方法
• 6.2.1 不同孔径钙镁介孔氧化硅的制备
• 6.2.2 rhBMP-2/介孔钙镁氧化硅复合材料的制备
• 6.2.3 材料的表征
• 6.2.4 统计方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 X射线衍射分析
• 6.3.2 材料BET分析
• 6.3.3 透射电镜观察
• 6.3.4 扫描电镜观察及EDS分析
• 6.3.5 红外光谱分析
• 6.3.6 体外降解性能测定
• 6.3.7 降解产物离子浓度及pH值测定
• 6.3.8 rhBMP-2体外缓释测定
• 6.4 结论
• 第7章 可降解rhBMP-2/介孔钙镁硅基干凝胶的成骨活性及其修复兔骨缺损的研究
• 7.1 引言
• 7.2 材料和方法
• 7.2.1 模拟体液的配制和体外生物活性考察
• 7.2.2 扫描电镜观察和元素分析
• 7.2.3 材料对细胞增殖的影响
• 7.2.4 材料对细胞粘附和形态的影响
• 7.2.5 材料对细胞碱性磷酸酶活性的影响
• 7.2.6 材料的异位成骨实验
• 7.2.7 动物体内植入实验
• 7.2.8 大体观察
• 7.2.9 同步辐射X射线成像
• 7.2.10 Micro-CT分析
• 7.2.11 脱钙骨组织切片HE染色和三色法染色组织学观察
• 7.2.12 统计方法
• 7.3 结果和讨论
• 7.3.1 材料的体外生物活性观察
• 7.3.2 材料的细胞相容性
• 7.3.3 碱性磷酸酶活性分析
• 7.3.4 小鼠肌袋异位成骨效果
• 7.3.5 体内植入实验大体观察
• 7.3.6 普通X射线和动态X射线同轴位相衬度成像（IL-PCI）分析
• 7.3.7 同步辐射显微断层成像（XMCT）分析
• 7.3.8 Micro-CT分析
• 7.3.9 脱钙骨组织切片组织学观察
• 7.4 结论
• 第8章 全文总结和延伸课题
• 8.1 全文总结
• 8.2 创新点
• 8.3 延伸课题
• 参考文献
• 致谢
• 研究生在读期间发表与撰写的论文
• 参与的科研项目