混合、同轴与乳液静电纺丝方法制备活性组织工程支架

论文摘要

组织工程学是一门将细胞生物学和材料学相结合的新兴学科。组织工程学通过将种子细胞种植于仿生支架材料上,并在体外培养增殖,在形成新的组织后植入受损部位,从而达到修复和重建原人体组织结构和功能的目的。因此,组织工程学的关键,同时也是具有挑战性的一步就是如何制备具有仿生天然细胞外基质的工程支架。首先,这种组织工程支架要在结构上模拟天然细胞外基质的三维多孔结构；其次,该支架要具有良好的生物安全性和相容性；最后,这种支架要从功能上模拟天然细胞外基质,即能够促进细胞的生长和诱导组织的形成。本论文采用静电纺丝方法制备了从材料、结构和功能上仿生天然细胞外基质的纳米纤维组织工程支架。首先,通过混合静电纺丝的方法制备了聚乳酸-已内酯（PLLACL）／壳聚糖的复合纳米纤维膜,系统地研究了该复合纳米纤维的各项性能,包括表面形态、结晶结构、化学结构、力学性能、热力学性能、亲水性和生物安全性。结果表明,当PLLACL占较大比例时,纤维膜的力学性能较好,而亲水性和生物相容性则较差,而且,复合纤维保持了两种物质的化学结构和结晶结构。在对聚已内酯-叶绿素铜钠盐的研究中,分析了叶绿素铜钠盐的质量比对纳米纤维最终形态的影响,当叶绿素铜钠盐质量为聚已内酯的20%时,制备的物质已经失去了原有纳米纤维的形态;并且.,叶绿素铜钠盐的加入也对纤维膜的力学性能有着消极的影响；降解实验和释放实验证明在纤维膜浸入模拟人体环境的溶液中10小时内,叶绿素铜钠盐几乎全部释出,也就为新组织和再生细胞的生长提供了充足的空问。采用同轴静电纺丝方法制备负载生物活性因子的功能纳米纤维。将PLLACL溶解于三氟乙醇（TFE）作为同轴静电纺丝的外层溶液,用于形成纳米纤维的壳层；将蛋白质溶解于超纯水中作为内层溶液,并用于形成纤维的芯层。同轴静电纺丝纳米纤维相对于单纺的PLLACL纤维具有较细的直径,并且由于蛋白质的加入和纤维结构的变化,其力学性较差；但是其亲水性基本上没有变化。为更好的研究蛋白质由同轴静电纺丝纳米纤维中释放的行为,本文采用盐酸四环素为模型药物制备了“混纺”和“同轴”两种纳米纤维膜,并使它们在相同的条件下进行释放实验。结果证明,盐酸四环素由混纺纤维中释放时产生了严重的突释现象,而它由同轴纺丝纤维膜中释放时则表现出相对稳定和持续的行为。我们从理论上解释并模拟了蛋白质在纤维中的浓度变化；并且制备了多种不同形状的神经导管支架,特别是螺旋外形的导管支架在抗压和卷曲性能方面非常突出。由于大鼠肾上腺嗜铬神经瘤细胞（PC12）能够在神经生长因子（NGF）的作用下出现形态上的分化,即生长出特有的神经轴突;因此,本文中选用PC12细胞来验证从同轴静电纺丝纳米纤维中释放的NGF的活性。结果证明由同轴静电纺丝纳米纤维膜中释放的NGF具有神经诱导活性。采用乳液静电纺丝的方法制备具有神经诱导活性的功能纳米纤维。该种静电纺丝乳液包括PLLACL溶解于三氯甲烷形成的油相溶液、蛋白质溶解于超纯水形成的水相溶液和作为稳定剂的山梨糖醇酐油酸酯（Span80）,,对负载蛋白质的PLLACL纳米纤维表面形态的研究发现,负载蛋白质的纳米纤维具有较小的纤维直径；与单纺纤维膜相比,乳液静电纺丝纤维膜由于乳化剂Span80的加入其力学性能较好；而且由于乳化剂在纤维表面的分布,乳液静电纺丝纳米纤维膜的其亲水性大大改善。本文对乳液静电纺丝纳米纤维的形成过程做了理论上的解释,认为部分纤维是由含有水相溶液滴的乳液拉伸而成,并且在电场力的驱动下乳化剂分子按照亲水基在外、憎水基在内的方式排布在纤维的表面。与同轴静电纺丝相似,蛋白质能够从乳液静电纺丝纳米纤维中以较为稳定的方式持续释放。实验结果表明,从乳液静电纺丝纳米纤维中释放的NGF能够成功的诱导PC12细胞生长出神经轴突,这就证明了通过乳液静电纺丝可以包覆NGF等蛋白质并保持其生物活性。对乳液静电纺丝方法制备负载双组分药物／蛋白质纳米纤维做了尝试性研究。在乳液的油相溶液中混合罗丹明B、水相溶液中混合BSA,分别研究药物和蛋白质的负载和释放情况。实验结果表明,载药后的纳米纤维膜的热稳定性几乎没有改变,而由于药物或蛋白的加入,影响了纤维的结晶性。释放实验表明,位于纤维壳层的药物会以较快的速度释放,且伴有突释现象发生;而包裹于纤维芯层的药物或蛋白则会在长时间内（2周）稳定并持续释放。本文对凝胶静电纺丝聚已内酯做了尝试性研究,并期望对带有珠状或块状物质的静电纺丝纤维做出理论上的解释。通过对凝胶溶液凝胶点的确定和分析,得知在静电纺丝过程中如果出现凝胶的现象则会使纺丝液提前固化,从而在纤维上出现珠状或块状物质。本文采用三种静电纺丝方法（即混合、同轴和乳液电纺丝）制备活性纳米纤维做了系统的研究和比较,并首次提出了负载“双组分药物／蛋白”纳米纤维的概念。本研究为活性纳米纤维组织工程支架的制备提供了参考,并为进一步开展组织工程化人工器官的研究以及临床应用提供了重要的实验数据和科学依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 组织工程概述
• 1.1.1 血管组织工程支架
• 1.1.2 骨组织工程支架
• 1.1.3 神经组织工程支架
• 1.1.4 伤口敷料工程支架
• 1.2 药物缓释体系概述
• 1.2.1 药物控释体系材料
• 1.2.2 药物控释系统的类型及制备方法
• 1.3 静电纺丝概述
• 1.4 神经导管概述
• 1.4.1 神经恢复效果评价标准
• 1.4.2 神经导管材料
• 1.4.2.1 生物型材料
• 1.4.2.2 非生物可降解材料
• 1.4.2.3 生物可降解材料神经导管
• 1.4.3 神经生长因子的影响
• 1.4.4 结论与展望
• 1.5 本文的研究内容及意义
• 1.6 参考文献
• 第二章 混合静电纺丝制备组织工程支架
• 2.1 聚乳酸-己内酯/壳聚糖纳米纤维支架的制备和表征
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 实验部分
• 2.1.2.1 实验材料及溶剂
• 2.1.2.2 实验仪器
• 2.1.2.3 纺丝液的配制
• 2.1.2.4 纤维制备
• 2.1.2.5 纳米纤维的形态表征
• 2.1.2.6 纳米纤维膜的红外分析
• 2.1.2.7 X-射线衍射分析
• 2.1.2.8 力学性研究
• 2.1.2.9 其他测试
• 2.1.3 结果和讨论
• 2.1.3.1 纳米纤维的形态学研究
• 2.1.3.2 纳米纤维膜的红外分析
• 2.1.3.3 纳米纤维膜的结晶结构分析
• 2.1.3.4 纳米纤维膜的力学性能
• 2.1.4 小结
• 2.2 聚已内酯/叶绿素铜钠盐纳米纤维支架的制备和表征
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 实验部分
• 2.2.2.1 实验材料及溶剂
• 2.2.2.2 实验仪器
• 2.2.2.3 纺丝液的配制
• 2.2.2.4 纳米纤维的制备
• 2.2.2.5 纳米纤维的形态表征
• 2.2.2.6 X-射线衍射分析
• 2.2.2.7 力学性研究
• 2.2.2.8 纳米纤维膜的降解性能
• 2.2.2.9 叶绿素铜钠盐的缓释行为
• 2.2.3 结果和讨论
• 2.2.3.1 纳米纤维的形态分析
• 2.2.3.2 纳米纤维膜的结构分析
• 2.2.3.3 纳米纤维膜的力学表征
• 2.2.3.4 纳米纤维膜的降解性能
• 2.2.3.5 叶绿素铜钠盐的释放行为
• 2.2.4 小结
• 2.3 参考文献
• 第三章 同轴静电纺丝制备活性组织工程支架
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料及溶剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 纺丝液的制备
• 3.2.4 "壳芯"结构纳米纤维的制备
• 3.2.5 纳米纤维的形态表征
• 3.2.6 壳芯纳米纤维膜的红外分析
• 3.2.7 纳米纤维膜的力学性能
• 3.2.8 牛血清白蛋白的释放行为测试
• 3.2.9 释放蛋白的活性检测
• 3.2.10 蛋白质释放行为的理论研究
• 3.2.11 管状神经组织工程支架的制备
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 纳米纤维的形态表征
• 3.3.2 纳米纤维膜的红外分析
• 3.3.3 壳芯纳米纤维膜的力学性
• 3.3.4 蛋白质的释放行为
• 3.3.5 缓释行为理论分析和数学模拟
• 3.3.6 释放蛋白的活性
• 3.3.7 神经导管的制备
• 3.4 小结
• 3.5 附件
• 3.6 参考文献
• 第四章 乳液静电纺丝制备活性组织工程支架
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料及溶剂
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 纺丝液的制备
• 4.2.4 纳米纤维的制备
• 4.2.5 纳米纤维的形态表征
• 4.2.6 纳米纤维膜的力学性能
• 4.2.7 纳米纤维膜的亲水性测试
• 4.2.8 乳液静电纺丝纳米纤维的生物安全性
• 4.2.9 细胞在膜上的形态观察
• 4.2.10 牛血清白蛋白的释放行为测试
• 4.2.11 释放蛋白的活性检测
• 4.2.12 乳液静电纺丝纳米纤维的形成过程
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 纳米纤维的形态表征
• 4.3.2 蛋白质在纤维中的分布
• 4.3.3 乳液静电纺丝纳米纤维的力学性能
• 4.3.4 乳液静电纺丝纳米纤维的亲水性
• 4.3.5 乳液静电纺丝纳米纤维的生物相容性
• 4.3.6 蛋白质释放行为
• 4.3.7 释放蛋白的活性
• 4.3.8 乳液静电纺丝纳米纤维的表面
• 4.3.9 PIEC在乳液静电纺丝纳米纤维膜上的生长情况
• 4.3.10 乳化剂在纳米纤维中的分布
• 4.3.11 乳液静电纺丝中纳米纤维的形成
• 4.4 小结
• 4.5 参考文献
• 第五章 负载药物蛋白纳米纤维的制备和表征
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料及溶剂
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 纺丝液的配制
• 5.2.4 纳米纤维的制备
• 5.2.5 纳米纤维的形态表征
• 5.2.6 纳米纤维膜的亲水性测试
• 5.2.7 X-射线衍射分析
• 5.2.8 热重分析
• 5.2.9 药物和蛋白的释放行为测试
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 纳米纤维的形态
• 5.3.2 纳米纤维的亲水性
• 5.3.3 纳米纤维的结晶性能
• 5.3.4 纳米纤维膜的热失重性能
• 5.3.5 释放溶液中药物和蛋白浓度的计算
• 5.3.6 乳液静电纺丝纳米纤维中罗丹明B和BSA的释放行为
• 5.4 小结
• 第六章 凝胶静电纺丝PCL纳米纤维
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验材料及溶剂
• 6.2.2 实验仪器
• 6.2.3 云点曲线的测定
• 6.2.4 静电纺丝及纤维形态观测
• 6.3 结果和讨论
• 6.3.1 云点曲线的确定
• 6.3.2 凝胶静电纺丝纳米纤维的形态
• 6.4 小结
• 6.5 参考文献
• 第七章 结论
• 博士期间发表论文
• 致谢