仿生复合纳米纤维Gelatin/PCL的制备与性能优化

论文摘要

组织工程是一门关于组织和器官的修复和重建的新兴学科,这个领域的发展将对现代医学的发展带来深远影响。其中,生物材料支架的制备一直是组织工程学研究的一个关键。近年来,静电纺丝法由于所制备的支架在形态上能仿生天然细胞外基质的纳-微米超细纤维结构,已成为领域内的研究热点。为了提高仿生纳米纤维的生物学响应,采用可降解合成高分子材料复合天然生物大分子制备复合材料纳米纤维支架已被研究者广泛采用,如明胶（gelatin）/聚己内酯（PCL）复合体系。明胶是一种天然的生物大分子材料,具有良好的生物可降解性和生物相容性,但是生物降解太快,机械性能及可电纺性较差；聚己内酯（PCL）是一种合成高分子材料,具有良好的生物相容性,无毒性及免疫原性,但细胞亲和性不好。自从2005年电纺Gelatin/PCL复合纳米纤维被首次报道以来,该复合纳米纤维已被广泛应用于皮肤、血管、软骨、骨、神经等组织的构建研究。然而,明胶是一种高度亲水性材料,PCL是一种高度疏水性材料,将二者的复合不可避免的会出现相分离问题,目前很少有人注意到这一细微但又非常重要的问题。基于此,本研究的目的旨在通过研究Gelatin/PCL的相分离现象和对电纺行为的影响,提出改进相分离行为的可行方案,最后对改进后的Gelatin/PCL复合纳米纤维的生物相容性进行评估。首先,将明胶和PCL共同溶解在三氟乙醇中,通过异硫氰酸荧光素（FITC）的嫁接实验及动态光散射实验表明,将亲水性的明胶和疏水性的PCL混合在一起制备纺丝溶液时会观察到明显的相分离现象,并且随着明胶含量的增加,溶液中沉淀现象越来越明显。将沉淀在底部的物质抽取出来,通过ATR-FTIR测试证明该析出物为明胶。接着我们将搅拌均匀的Gelatin/PCL （50/50）纺丝液进行电纺丝,收集了不同纺丝时间的复合纳米纤维膜,SEM结果表明：开始纺丝的2个小时内,纤维都非常光滑和均一,但是随着纺丝时间的延长,纤维变得越来越粗糙,直径也越来越大,最后出现明显的缺陷（如串珠、液滴）。ATR-FTIR定量分析表明,随着纺丝时间的增加,纤维中明胶的含量在不断的变化,电纺2.5h所得纤维中的明胶含量约为30%,5h时却达到了65%左右。为了改善相分离情况,采用加酸的方法成功地解决了上述问题。首先通过FITC的嫁接实验表明改性后纺丝液不会出现沉淀现象；动态光散射实验表明,溶液中颗粒的平均粒径一直保持不变。接着收集了不同纺丝时间的复合纳米纤维膜,SEM结果表明：改性后,纤维的形貌不随时间发生变化,纤维形态均一,平均直径在379±146 nm左右,减小为原先的一半。ATR-FTIR定量分析表明,纤维中明胶的含量保持在50%水平,不随纺丝时间变化。最后我们对改性前后的复合纳米纤维膜进行了亲水性能及拉伸力学性能的测试,结果表明：改性后的复合纳米纤维膜的亲水性更好,拉伸力学性能也得到了很大程度地提高,其平均断裂强度在2.96MPa左右,而改性前复合纳米纤维膜的平均断裂强度仅在1.56MPa左右。以小鼠成纤维细胞为种子细胞,研究了改性前后的复合纳米纤维膜的细胞相容性,MTT结果显示,改性前后的纳米纤维膜对于成纤维细胞的粘附与增殖没有明显差异,但是激光共聚焦结果表明,细胞在改性后的复合纳米纤维膜上生长的更好,细胞粘附地更多。通过SEM观察细胞的形貌,第1天的结果显示,改性后的复合纤维膜上细胞的数量更多,细胞铺展地更开。第7天时,效果更明显,细胞与细胞之间及细胞与纤维之间很好地融合在一起。这些结果表明,与没改性的复合纳米纤维膜相比,改性后的复合纳米纤维膜具有更好的生物相容性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 组织工程概述
• 1.2 静电纺丝与仿生细胞外基质支架
• 1.3 基于仿生复合纳米纤维的组织工程支架的研究进展
• 1.4 仿生明胶/聚己内酯复合材料纳米纤维在组织工程中的应用
• 1.5 课题的提出、研究内容及创新点
• 第二章 明胶和PCL的相分离现象及对电纺行为的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.3 结果与分析
• 2.4 本章总结
• 第三章 明胶和PCL相分离的解决及改性前后纤维性能比较
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与分析
• 3.4 本章总结
• 第四章 Gelatin/PCL复合纳米纤维改性前后生物相容性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章总结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 实验结论
• 5.2 存在问题和展望
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间科研及发表论文情况
• 致谢