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基于双模板协同共组装新策略的纳米仿生骨材料的可控制备研究

王江林

  自然界经过长期的演化产生了许多结构完美、性能优异的天然生物材料。如坚硬的鲍鱼壳、坚韧的蜘蛛丝、锋利的鼠牙以及兼有高强度和高韧性的天然骨材料等等。探讨和揭示这些天然生物材料的形成机理和组装结构已成为仿生材料合成的关键所在。随着对生物矿化本质的发现和认识,即有机分子介导无机成分的矿化沉积。因此,模板自组装介导合成仿生材料的策略是近年来研究热点问题。通过这种模板介导法合成的材料不仅仅局限于成分上仿生,而更加注重的是结构仿生。由于天然材料的各种优异性能都与其多级结构密切相关,因此通过对其多级组装结构的模拟和仿生必定能大大提高仿生材料的特殊性能。 本课题在现有单模板介导机制的基础上提出了基于双模板协同共组装介导纳米仿生骨材料的受控制备。这是对当前单模板介导仿生策略的一个重要突破。天然骨材料多模板协同共组装的结果,因此双模板机制更加接近天然骨的形成方式。但是随着模板数量的增加,其模板的活性中心也在增加,多活性中心的存在易扰乱晶体的成核生长。 本论文首先选择结构和介导效应相似、功能互补的胶原蛋白(Collagen)和丝素蛋白(Silk fibroin)作为协同共组装的两个起始模板,藉以实现纳米仿生纳米仿生骨替代材料体系的制备。利用圆二色谱和SDS-PAGE对模板蛋白结构进行表征结果证明,胶原蛋白和丝素蛋白作为两种纤维状分子具有很好的协同效应,且形成的新协同共组装模板其二级结构更加稳定。 基于胶原和丝素蛋白协同共组装的新策略,我们合成了胶原-丝素/羟基磷灰石的纳米仿生复合材料,并以单模板介导的材料(胶原-羟基磷灰石;丝素-羟基磷灰石)为对照。通过对该共组装双模板介导的材料进行了系列表征后,结果表明,获得无机晶体是纳米级针状羟基磷灰石,形貌与性能与天然骨中的无机成分非常类似。此外,通过对无机晶体的TEM和SAED分析证明了无机晶体是沿纤维性蛋白的C轴方向取向生长的,再结合FTIR、XRD和DLS的综合分析结果,论文提出了一个关于纤维性双模板蛋白分子介导晶体生长的可能分子机制及成核过程模式。 骨髓间充质干细胞(Bone marrow mesenchymal stem cells)是目前骨组织工程最具应用潜力的种子细胞之一。本文进一步利用骨髓间充质干细胞对这种新型的基于双模板协同共组装的纳米仿生骨材料进行生物相容性评价。体外细胞实验结果表明,该材料具有良好的生物相容性,能够很好的支持骨髓间充质干细胞的黏附、增殖以及分化。 此外,还研究了骨髓间充质干细胞在该仿生材料上的成骨分化。通过在细胞和分子两个水平对成骨分化进行了定性和定量分析。定性染色结果表明,成骨分化早期和晚期的两个特异性的标志,碱性磷酸酶和钙结节染色均为阳性染色结果。RT-PCR结果更进一步的表明,成骨分化的一些特异性基因在各个不同时期均有表达,其中Ⅰ型胶原蛋白基因为组成性表达,且在分化各个时期均高效稳定表达。碱性磷酸酶基因在成骨分化早期表达量高,晚期表达量低。而骨钙素和骨粘素则在分化晚期高效表达。 最后,通过动物实验进一步研究了该类仿生材料的体内生物相容性。结果表明,细胞-仿生材料复合体在植入体内8周,无任何明显的急性免疫反应,具有良好的生物相容性,并且具有良好的新骨形成能力。骨内植入实验表明。该细胞-仿生材料复合体具有良好的骨修复性能。……   
[关键词]:双模板;共组装;仿生骨;生物相容性;成骨分化
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华中科技大学2010年