基于明膠和殼聚糖復(fù)合靜電紡納米纖維制備小血管組織工程支架及其機械性能研究.pdf

1、組織工程學是一門將細胞生物學和材料學相結(jié)合的新興學科。組織工程學通過將種子細胞種植于支架材料上，并在體外培養(yǎng)增殖，在形成新的組織后植入受損部位，從而達到修復(fù)和重建原人體組織結(jié)構(gòu)和功能的目的。因此在組織工程中關(guān)鍵一步是提供這樣一種支架材料。理想的組織工程支架應(yīng)仿生天然細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物學功能，并有良好的生物相容性和適當?shù)牧W性能。
　　本課題從仿生的角度出發(fā)，基于明膠和殼聚糖靜電紡納米纖維，從組成和結(jié)構(gòu)上仿生天然細胞外基質(zhì)。首先

2、選擇合適的溶液體系，將明膠和殼聚糖靜電紡成納米纖維，并系統(tǒng)地研究該復(fù)合納米纖維的各項性能，包括表面形態(tài)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、化學結(jié)構(gòu)、力學性能和熱學性能。結(jié)果表明，明膠和殼聚糖復(fù)合納米纖維的平均直徑低于兩種組分單紡纖維的平均直徑，并隨著溶液濃度的增加，復(fù)合納米纖維的平均直徑亦增加;紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)明膠和殼聚糖分子之間相互形成氫鍵。X射線衍射分析顯示，明膠和殼聚糖溶解后，物相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，更趨向于無定型態(tài)，靜電紡過程對材料的結(jié)晶性沒有影響。TG和D

3、SC分析顯示了明膠和殼聚糖的熱穩(wěn)定性情況。隨著殼聚糖含量的增加，復(fù)合納米纖維的斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變均降低。
　　因為明膠和殼聚糖靜電紡納米纖維膜遇水即溶，為了提高復(fù)合納米纖維膜的穩(wěn)定性，因此用戊二醛作為交聯(lián)劑，在密閉干燥器中通過戊二醛蒸氣揮發(fā)對復(fù)合納米纖維膜進行交聯(lián)。探索最佳的交聯(lián)時間，并研究戊二醛與明膠和殼聚糖以及其復(fù)合物的交聯(lián)機理。結(jié)果表明，最佳的交聯(lián)時間為3天;交聯(lián)后，明膠和殼聚糖復(fù)合納米纖維膜在37℃去離子水中浸泡4天后仍能

4、保持其纖維結(jié)構(gòu);通過紅外分析研究戊二醛的交聯(lián)機理，殼聚糖與戊二醛的交聯(lián)反應(yīng)，主要是自由氨基與戊二醛的醛基之間反應(yīng)生成Schiff堿(C=N)，乙酰基上N原子帶有孤對電子，與戊二醛發(fā)生親核反應(yīng)，另外殼聚糖的羥基與戊二醛的羰基之間發(fā)生縮醛化反應(yīng)。明膠中含有少量的具有氨基的賴氨酸和精氨酸，主要是它們的自由氨基與戊二醛的醛基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。明膠和殼聚糖的復(fù)合物與戊二醛的交聯(lián)反應(yīng)，主要是自由氨基與戊二醛的醛基之間反應(yīng)，生成亞胺，即Schiff堿，同

5、時殼聚糖的羥基與戊二醛的羰基之間發(fā)生縮醛化反應(yīng)。交聯(lián)后，復(fù)合納米纖維膜的平均斷裂伸長率稍有下降，而平均斷裂強度呈現(xiàn)不同程度的增加。細胞在不同比例的明膠和殼聚糖復(fù)合材料上都能很好地黏附;內(nèi)皮細胞的增殖實驗發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮細胞在納米纖維膜上保持一個較高的增殖能力，當明膠和殼聚糖復(fù)合比例為50/50時，細胞增殖最多。細胞可以在材料上很好黏附和增殖，也說明戊二醛蒸氣交聯(lián)的毒性很低。
　　雖然交聯(lián)后，明膠和殼聚糖復(fù)合納米纖維膜的力學性能有很大改善

6、，但是斷裂伸長率很低，力學性能較脆，不適合單獨用作血管組織支架。因此混入合成材料聚己內(nèi)酯，可以結(jié)合天然材料和合成材料的優(yōu)勢，開發(fā)出適合的組織工程支架。系統(tǒng)地研究該共混體系的靜電紡納米纖維表面形態(tài)、結(jié)晶性能、熱性能、力學和親疏水性能。掃描電鏡結(jié)果顯示，明膠和殼聚糖復(fù)合物的引入降低了聚己內(nèi)酯的直徑。通過差示掃描量熱分析測試和X射線衍射分析測試發(fā)現(xiàn)聚己內(nèi)酯與明膠和殼聚糖復(fù)合物是簡單的物理共混，這樣能結(jié)合天然材料和合成材料的優(yōu)點，有望得到生物相

7、容性好，又具有很強機械性能的納米纖維材料以構(gòu)建血管組織工程支架材料。接觸角實驗發(fā)現(xiàn)純聚己內(nèi)酯纖維膜具有一個疏水性的表面，隨著明膠和殼聚糖復(fù)合物組分的增加，納米纖維膜的親水性逐漸增加，但是當聚己內(nèi)酯的含量在50％和25％時，靜電紡納米纖維表面出現(xiàn)溶解現(xiàn)象。再結(jié)合共混纖維膜的力學性能，當聚己內(nèi)酯的含量為75％時，靜電紡納米纖維膜既有一定的強度，又具有良好的延伸性，因此選擇該比例作進一步研究，并表示為PCL/CS-Gel。孔徑大小及分布測試實

8、驗發(fā)現(xiàn)，孔徑的大小與纖維的直徑直接相關(guān)，纖維越細，孔徑越小。對豬的髖動脈內(nèi)皮細胞在共混納米纖維膜上的黏附、增殖和細胞形態(tài)進行了研究，并和蓋玻片和細胞培養(yǎng)板的細胞相容性做了對比。MTT實驗結(jié)果表明，內(nèi)皮細胞在靜電紡納米纖維上的黏附量高于對照組蓋玻片上的細胞量，而且PCL/CS-Gel靜電紡納米纖維膜上的細胞黏附量也高于PCL纖維膜上的細胞量。增殖實驗中，細胞培養(yǎng)板(TCP)上的細胞增殖量最高，PCL/CS-Gel納米纖維膜比PCL上的細胞

9、增殖量高。從掃描電鏡照片上，可以觀察到24h后，PCL/CS-Gel納米纖維膜上的細胞量明顯多于PCL和蓋玻片上的細胞量，細胞在納米纖維膜的表面呈多角的遷移態(tài)分布，保持著分化、增殖的形態(tài)。鑒于PCL/CS-Gel具有良好的力學性能，同時具有良好的細胞相容性，因此選用于靜電紡制管狀支架。
　　最后對PCL、PCL/CS-Gel靜電紡管狀支架以及靜電紡與外層編織PLLA長絲復(fù)合管狀支架的尺寸穩(wěn)定性、徑向力學性能、疲勞性和順應(yīng)性做了系統(tǒng)

10、地研究。實驗發(fā)現(xiàn)，PCL/CS-Gel靜電紡管狀支架的徑向斷裂強度和斷裂伸長率比PCL低，外層編織PLLA長絲后，力學性能有顯著提高。三種管狀支架在浸泡三個月后，直徑和厚度變化很小，說明三種管狀支架都具有良好的尺寸穩(wěn)定性。疲勞一定時間后，不同管狀支架的徑向力學性能斷裂伸長率均有所降低。明膠和殼聚糖復(fù)合物的引入提高了聚己內(nèi)酯靜電紡管狀支架的順應(yīng)性，在外層編織PLLA長絲后順應(yīng)性略有所降低。在浸泡三個月后，PCL靜電紡管狀支架的斷裂強度能保

11、持原來的77％，斷裂伸長率沒有顯著性差異;PCL/CS-Gel靜電紡管狀支架的斷裂強度和斷裂伸長率均顯著降低，而在外層編織PLLA長絲后，復(fù)合管狀支架在三個月后的徑向力學性能達到人體動脈徑向力學性能的要求（動脈、肺動脈瓣和肌肉動脈），說明外層的編織結(jié)構(gòu)對增強靜電紡管狀支架的力學性能有著積極的意義。
　　本文基于明膠和殼聚糖以及合成材料聚己內(nèi)酯共混靜電紡成納米纖維，從組成和結(jié)構(gòu)上仿生天然細胞外基質(zhì)，同時具有良好的生物相容性，因此用作