具有可控微图案结构的电纺纤维生物材料的制备及其性能研究

摘要

生物材料表面微结构的调控对其理化性能、组织细胞的粘附、增殖与分化以及所载药物的可控释放都具有重要的影响。近年来，具有特定微观形貌或者图案化结构的生物材料因其独特的功能性界面而在组织工程、药物控释等领域研究中展示出了优良的应用前景。采用静电纺丝技术制备的纤维材料由于具有同天然人体细胞外基质（ECM）相似的纤维结构，较高的孔隙率、良好的孔连通性、较大的比表面积等优点，已经在生物医学领域里获得了较广泛的研究。由于受到高分子本身的性质（介电常数、分子链大小等）的影响，能够有效而精确地制备具有可控微图案结构的纤维材料还面临着挑战，而目前绝大多数研究主要集中在无纺以及纯定向电纺纤维材料的制备上，具有可控微图案结构的电纺纤维材料这方面的制备及其性能研究相对较少。同时，电纺纤维生物材料表面的微图案结构因素对组织细胞的调控的规律及机理更是缺乏详细的研究。因此，本论文的研究目的是从设计材料体系、模板的表面微结构的角度出发，制备具有可控的微图案结构的电纺纤维材料，并研究微图案结构对于其理化性能、组织细胞增殖与分化以及可控药物传输的影响及相应的机理，为发展具有可控的微图案结构与高性能的生物材料用于生物医学领域提供新方法和新思路。本论文主要的研究内容和结论包括以下几个部分：
　　(1)具有可控的微图案结构以及理化性能的电纺纤维材料的制备与表征。
　　首先通过设计材料体系，制备了具有不同混合比例的图案化PDLLA/PCL复合纤维膜，并进一步研究了不同PDLLA/PCL比例对复合电纺纤维膜微图案结构以及抗收缩性能的影响规律。随着PDLLA/PCL的混合比例的减小，其相应纤维膜表面的微图案结构的规整度会随着下降，与此同时，它们的尺寸收缩率也会逐步减小。当PDLLA/PCL比例为50/50的时候，能够得到具有可控的规整微图案结构以及在生物培养过程中抗收缩等综合性能优良的电纺纤维膜。在此基础上，通过研究了凸起、孔洞等典型结构因素对材料图案结构的影响，设计与改变收集模板表面的凸起结构以及间距大小、不同孔洞结构、以及将凸起与孔洞结构进行拓展与组合，稳定可控地制备了具有不同尺寸大小、不同微图案结构形貌、不同取向度的PDLLA/PCL复合电纺纤维材料。
　　(2)研究了不同的微图案结构及尺寸大小对内皮细胞的生物学效应的影响规律以及相应的机理。
　　作者制备了具有不同形貌（如筛网、孔洞、定向间隔）、不同定向结构以及不同尺寸大小的图案化电纺纤维材料，并对在其上生长的内皮细胞（HUVECs）的粘附、增殖、排列分布、成血管分化等行为方面的影响进行了系统研究。
　　实验结果显示纤维材料表面的不同微图案形貌能够影响在其上生长的细胞的增殖以及分布排列情况。相对于单定向以及无定向结构的材料，细胞在具有微图案结构的纤维材料上具有较高的增殖速率，并且细胞能够在很大程度上模拟材料表面的微图案结构，呈现图案化分布生长，不同的微图案结构的电纺纤维材料能导致在其上生长的细胞分布也不同。
　　电纺纤维材料表面的不同的定向结构能够导致细胞其内部骨架、核的形态也会发生不同程度的极化作用。在具有双定向排列的电纺纤维材料的凸起之间的定向排列纤维区域，细胞及其内部骨架、核的形态在沿着纤维排列的方向得到了最大程度上的拉伸与变形，而在凸起部位，细胞骨架形态也呈现了一定程度上的不定向的拉伸与变形。与无定向纤维材料相比，材料表面的微图案结构能够促进内皮细胞成血管方面的基因表达。电纺纤维材料表面微图案结构的尺寸大小也会对在其上生长的内皮细胞的的增殖以及成血管分化能力产生影响。在一定范围内，单元图案的尺寸越大，在其上生长的细胞增殖率以及成血管相关基因的表达也会提高，尤其是具有最大定向间距（1500μm）的图案化纤维材料，其表面具有最高的内皮细胞增殖率，并且在其上生长的内皮细胞其相应的成血管方面基因的表达最强，展示了作为了血管组织工程支架的较大潜能。
　　(3)研究了微纳米级图案结构对电纺纤维材料表面的润湿性能及药物释放的影响规律及其机理。
　　通过控制电纺纤维的收集时间与方式，制备了表面具有不同纳米纤维密度和图案结构的溶剂膜，研究了不同纳米结构、微图案结构因素对溶剂膜表面的润湿性能的影响规律。结果显示，纳米级结构的增加可以极大地改变材料表面的疏水性能，溶剂膜的表面疏水性可通过改变纳米纤维在其上沉积密度、分布、排列来进行调控，接触角数值可以实现在80°~153.2°范围内连续可控。进一步研究发现，溶剂膜表面的疏水性的纳米纤维结构可以降低药物的释放速率，而药物释放的速率可以进一步由改变纳米纤维的排列与分布图案来调控。
　　综上所述，本文采用电纺技术成功制备了具有不同微图案结构的纤维膜，通过微图案的调控可以有效地调控纤维材料的理化性能、内皮细胞的增殖与分化行为、药物传输速率等，并对其相应的机理进行了归纳总结，为制备具有微图案结构的电纺纤维生物材料在组织修复和药物控释领域的实际应用提供参考。

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第一章 绪论

1.1电纺纤维材料在生物医学领域的应用

1.2微图案结构在生物医学领域的应用研究意义

1.3具有微图案结构的电纺纤维材料在生物医学领域的研究进展

1.4课题的提出以及主要研究内容

第二章 具有可控微图案结构的电纺纤维材料的制备

2.1具有不同混合比例的PDLLA/PCL复合图案化纤维膜的制备

2.2 具有可控微图案结构的PDLLA/PCL电纺膜的制备

2.3本章结论

第三章 具有微图案结构的电纺纤维膜对内皮细胞生物学效应的影响

3.1 不同微图案形貌对血管内皮细胞生物学效应的影响

3.2 具有不同定向结构的电纺纤维材料对血管内皮细胞的生物学效

3.3 本章小结

第四章 具有可控疏水性的微图案结构的电纺纤维膜在药物缓释领域的应用

4.1材料与方法

4.2实验结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

符号与标记

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢

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