聚（γ-苄基-L-谷氨酸）改性纳米羟基磷灰石/聚乳酸骨组织工程支架制备及生物性能研究

摘要

人骨是一种结缔组织，主要是由生物磷灰石和骨胶原纤维构成。其中羟基磷灰石（HA）是人体硬组织，如骨骼和牙齿的主要无机成分，它为硬组织提供很好的刚性；骨胶原纤维是一种天然高分子，它赋予骨良好的柔韧性和优异的生物活性。从材料学角度而言，大自然把有机物与无机物互相巧妙而紧密地结合起来形成骨，满足了骨的生物学和力学要求。多年来，人们一直试图通过将无机非金属材料和有机高分子材料复合，制备多级结构纳米材料来模仿天然骨。
　　人工合成的HA成分和结构与骨相似，具有优良的生物相容性和骨传导，广泛应用于骨科。左旋聚乳酸（PLLA）作为一种性能优异的可降解高分子材料，已被美国食品药品管理局（FDA）许可应用于临床，在药物控释和组织修复方面具有广阔的应用前景。将纳米 HA（n-HA）与可降解的 PLLA复合可以将 HA的成骨性能与 PLLA的生物相容性结合，获得性能优异的复合材料。但还存在诸如HA纳米颗粒分散性不好，HA与PLLA界面相容性差，易相分离，植入体内后骨结合能力不理想等问题，已经成为制约其最终应用的一个关键因素。n-HA/PLLA复合材料的制备方法还有很大的研究空间，通过对实验数据进行可靠的统计分析，有助于研制具有更好的力学性能、生物相容性和成骨性的复合材料。
　　本文从HA纳米粒子表面改性出发，设计并制备了改性n-HA/PLLA组织工程支架，并通过体内、体外实验对材料的性能进行了研究，主要内容如下：
　　采用表面接枝聚（γ-苄基-L-谷氨酸）（PBLG）的改性n-HA（PBLG-g-HA）与PLLA复合，获得新型HA-g-PBLG/PLLA纳米复合材料。通过对HA表面化学改性，有效改善了n-HA在氯仿溶液中的均匀分散性，实现了HA表面从亲水性到疏水性的转变，进而可以增强 HA与 PLLA基体的相互作用。采用相分离技术制备了具有三维多孔结构的组织工程支架，其孔隙率在85％以上，孔径在30~200μm，具有大孔小孔共存的多级结构。通过观察骨髓间充质干细胞（BMSCs）形态及其细胞增殖状况，对成骨细胞在支架表面的粘附、生长和增殖的情况进行探究；通过实时定量荧光PCR（RT-PCR）实验技术检测成骨相关基因的表达；通过对鼠颅骨和股骨缺损进行体内修复实验，考察材料的骨修复效果及其临床应用潜能。
　　研究结果表明，PBLG-g-HA/PLLA复合材料由于加入了 n-HA，其细胞粘附、生长、增殖和以及I型胶原（COL-I）等成骨相关基因的表达明显上调；三维支架材料的生物学性能和动物骨骼修复效果明显优于 HA/PLLA复合材料和 PLLA高分子材料；体外实验显示当 PBLG-g-HA在复合材料中比重为10%时，体外诱导BMSCs成骨向分化的能力最强；体内实验μ-CT、H&E染色和 I型胶原蛋白（Col-I）免疫组化结果显示，PBLG-g-HA/PLLA组织工程支架的骨生成性能明显增高；利用 TRAP染色评价不同支架对于破骨细胞数及染色浓度的影响，观察到处理组间染色浓度和破骨细胞数没有显著差别，而空白对照组表面的破骨细胞数量更多。
　　与文献相比，在 HA表面改性方面的文献多数集中于改善其浸润性，而对改性 HA的生物性能却较少关注。本文的主要创新在于：材料结构设计方面在充分考虑到界面物理性能的同时，又兼顾了材料的生物性能的提高，同时实现了物理性能和生物性能的改善；此外，本文所采用的改性方法在室温即可完成，同时适用于多种氨基酸单体的聚合及材料表面改性的处理，具有很好的普适性。另外，本文深入研究了PBLG-g-HA/PLLA纳米复合材料的生物相容性、成骨活性，为新材料的制备和临床应用提供了实验依据，同时证明PBLG-g-HA/PLLA支架具有良好的成骨性，有望作为一种新的骨组织修复材料在临床中取得应用。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 引言

1.1 骨组织工程概述

1.2 骨组织工程在口腔医学领域应用

1.3 骨组织工程中的无机-有机复合材料研究进展

1.4 纳米羟基磷灰石的表面化学改性

1.5 组织工程支架的制备方法

1.6 纳米羟基磷灰石/PLA复合支架材料的性能研究

1.7 研究目的、内容、目标及创新

1.8 本研究小结

第2章 改性PBLG-g-HA的制备及表征

引言

2.1 材料和方法

2.2 结果

2.3 讨论

2.4 小结

第3章 PBLG-g-HA/PLLA复合支架制备及生物相容性实验评价

引言

3.1 材料和溶液的配置

3.2 实验方法

3.3 结果

3.4 讨论

3.5 小结

第4章 PBLG-g-HA/PLLA 纳米复合材料成骨性能研究

引言

4.1 材料和方法（同3章）

4.2 结果

4.3 讨论

4.4 小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 进一步工作的方向

致谢

参考文献

附录

中英文缩略语

攻读学位期间的研究成果