细菌纤维素纳米纤维支架的改性与复合

论文摘要

细菌纤维素（Bacterial cellulose,BC）是一种新型纳米生物材料,由纳米纤维组成三维纳米网状结构,是纯度和结晶度很高的纤维状纳米材料,具有良好的生物相容性。但是BC纳米支架只有纳米孔隙,缺少50-200μm的微米空间,在无纤维素酶的体内条件下降解困难,而且单一的纤维素难以满足多种组织工程材料的特殊要求,因此需要对BC支架材料进行改性和复合。本文以BC纳米支架材料改性及其复合为研究主题,研究了BC作为人工皮肤材料的基本性质,通过生物合成调控、模板法、溶解再生和化学改性等方法制备了纳米-微米BC支架材料,研究了化学改性BC的可调控降解,通过仿生矿化、培养基修饰和化学接枝改性等方法制备了一系列纳米纤维素复合材料,并制备了BC纳米晶须/聚乳酸多孔支架材料,采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）观察材料微观形貌,采用X射线电子衍射（XRD）、红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）对材料晶体结构和化学结构进行分析,并对材料的孔隙分布、透湿、降解和力学性能进行了表征。研究结果表明,BC水凝胶膜具有很高的持水性,一定厚度的冷冻干燥膜符合人工皮肤临床透湿量要求,并可在纤维素酶的作用下发生降解。通过小鼠胚胎细胞和成骨细胞与材料共培养,利用细胞计数实验,通过细胞生长曲线和细胞生长形态观察,证明BC具有良好的细胞相容性。BC微米-纳米材料的制备可通过多种途径实现:采用模板法可以在包含纳米孔隙的BC支架中获得微米尺度的孔隙;N-甲基氧化吗啉（NMMO）可以溶解BC,通过沉浸凝胶-盐粒造孔可以制备微米多孔再生纤维素支架材料;通过化学改性后冷冻干燥,可以获得微米孔内包含部分纳米纤维的羧酸化改性BC多孔支架材料。BC通过改性可生成2,3-二醛细菌纤维素（Dialdehyde BC,DABC）,DABC可在无酶条件下水解。DABC保持了与原始BC类似的三维纳米网状微观结构,在模拟体液中逐渐降解成为微米多孔材料,降解速率与氧化程度相关,降解首先发生在被氧化的部分,降解过程有小分子溶出,残留物仍具有BC性质。通过仿生矿化可以制备出羟基磷灰石/DABC纳米复合可降解支架材料;通过在培养基中加入胶原共培养可以获得胶原/BC纳米复合材料支架;采用希夫碱反应将明胶接枝包覆到DABC支架材料上可以获得明胶/DABC纳米复合支架材料。BC纳米晶须（BC nano-whisker,BCNW）可以通过酸水解法获得,将BCNW分散到聚乳酸（PLA）基体中可制备出BCNW/PLA多孔复合材料,其亲水性较PLA有所提高,利于作为组织工程支架使用。本文通过对细菌纤维素纳米支架材料改性和复合的研究,制备了微米-纳米孔隙共存的支架材料,为组织工程研究和生物纳米效应研究提供了全新的物质平台,获得了模拟体液条件下可调控降解的改性纳米纤维素支架材料,获得了改性纳米纤维素与生物活性高分子（明胶、胶原）和生物活性陶瓷（羟基磷灰石）复合材料支架,丰富了BC纳米生物材料体系,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物医用材料与组织工程支架材料
• 1.2 细菌纤维素的产生和特性
• 1.3 BC 在生物医用材料领域的应用
• 1.3.1 BC 作为皮肤修复材料
• 1.3.2 BC 作为人工血管生物材料
• 1.3.3 BC 作为组织工程支架材料
• 1.3.4 BC 在生物医用材料领域的其他应用
• 1.4 BC 支架材料的设计与改性
• 1.4.1 BC 的可设计性
• 1.4.2 BC 组织工程支架材料的可控设计
• 1.4.3 BC 化学改性
• 1.4.4 BC 的溶解再生设计
• 1.4.5 BC 的复合支架设计
• 1.4.6 BC 的降解设计
• 1.4.6.1 BC 的酶解
• 1.4.6.2 BC 的氧化降解
• 1.5 纳米复合材料及BC 纳米纤维复合材料
• 1.6 课题研究背景、意义及内容
• 1.6.1 研究背景和意义
• 1.6.2 研究内容和目标
• 1.6.3 论文创新点
• 第二章 BC 组织工程皮肤材料的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验设备
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.3.1 BC 的制备
• 2.2.3.2 BC 支架持水性和吸湿性
• 2.2.3.3 BC 支架透湿性
• 2.2.3.4 BC 支架的酶降解
• 2.2.3.5 BC 支架的细胞相容性
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 BC 支架材料的持水性
• 2.3.2 BC 支架材料的透湿性
• 2.3.3 BC 支架材料的酶降解
• 2.3.4 BC 支架材料的细胞相容性
• 2.4 本章 小结
• 第三章 纳米BC 支架中微米孔隙的构建研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.3.1 BC 的微米模板培养
• 3.2.3.2 BC 溶解再生
• 3.2.3.3 BC 溶胶粒子滤出制备微米多孔材料
• 3.2.3.4 BC 支架的化学改性获得微米纳米多孔材料
• 3.2.3.5 持水性和透湿性测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 模板法构建BC 微米-纳米支架材料
• 3.3.1.1 模板材料的选择
• 3.3.1.2 纳米-微米支架材料构建
• 3.3.2 沉浸凝胶法构建再生BC 微米支架材料
• 3.3.2.1 BC 沉浸凝胶工艺的实现及工艺控制
• 3.3.2.2 沉浸凝胶工艺再生BC 海绵支架
• 3.3.2.3 NMMO 再生纤维素持水性和透湿性
• 3.3.3 羧酸化BC 微米-纳米支架
• 3.4 本章 小结
• 第四章 BC 支架氧化改性及降解研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 试验设备
• 4.2.3 实验方法
• 4.2.3.1 BC 支架的高碘酸选择性氧化
• 4.2.3.2 醛基含量测定
• 4.2.3.3 氧化纤维素支架材料体外降解
• 4.2.3.4 DABC 支架拉伸力学性能
• 4.2.3.5 DABC 持水性和透湿性
• 4.2.4 分析测试
• 4.2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 4.2.4.2 X 射线光电子能谱（XPS）
• 4.2.4.3 X 射线衍射（XRD）
• 4.2.4.4 傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）
• 4.2.4.5 高效凝胶过滤色谱（HPGFC）
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 BC 支架的高碘酸钠选择性氧化及氧化程度调控
• 4.3.1.1 pH 值对醛基含量的影响
• 4.3.1.2 氧化时间对醛基含量的影响
• 4.3.1.3 氧化剂浓度对醛基含量的影响
• 4.3.1.4 温度对醛基含量的影响
• 4.3.2 DABC 支架的形态和空间结构变化
• 4.3.3 DABC 支架的化学结构
• 4.3.4 氧化二醛纤维素支架的晶体结构和结晶度
• 4.3.5 DABC 支架的降解机理研究
• 4.3.5.1 DABC 支架材料在水溶液中的降解
• 4.3.5.2 DABC 支架材料在PBS 水溶液中的降解
• 4.3.5.3 DABC 支架材料降解机制研究
• 4.3.6 氧化二醛纤维素支架材料的拉伸力学性能
• 4.3.7 氧化二醛纤维素支架材料在SBF 中的降解与矿化
• 4.4 本章 小结
• 第五章 BC 支架的复合化研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验设备
• 5.2.3 实验方法
• 5.2.3.1 羟基磷灰石/DABC 复合支架制备
• 5.2.3.2 胶原/BC 复合支架制备
• 5.2.3.3 明胶/DABC 复合支架制备
• 5.2.4 分析测试
• 5.2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 5.2.4.2 X 射线光电子能谱（XPS）
• 5.2.4.3 X 射线衍射（XRD）
• 5.2.4.4 傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）
• 5.2.4.5 透射电子显微镜（TEM）
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 羟基磷灰石/DABC 支架的仿生沉积
• 5.3.2 胶原蛋白/BC 复合支架
• 5.3.3 明胶/DABC 复合支架
• 5.4 本章 小结
• 第六章 BC 纳米微纤维聚乳酸复合支架构建
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 实验设备
• 6.2.3 实验方法
• 6.2.3.1 BC 纳米微纤维制备
• 6.2.3.2 多孔聚乳酸支架制备
• 6.2.3.3 BC 纳米微纤/聚乳酸复合支架制备
• 6.2.4 分析测试
• 6.2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 6.2.4.2 全反射傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）
• 6.2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 6.2.4.4 差示扫描量热仪（DSC）
• 6.2.4.5 吸水率测试
• 6.2.4.6 BCNW/PLA 力学性能测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 BC 纳米微纤维
• 6.3.2 BC 纳米微纤/聚乳酸复合支架
• 6.4 本章 小结
• 第七章 全文结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢