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静电纺丝素基纳米纤维支架的构建及其性能

尹桂波

   组织工程主要利用细胞支架材料进行细胞培养,形成具有生物活性的种植体,体内组织修复或重建后,支架材料最终降解。开发功能性的细胞支架材料是组织工程研究的基础,细胞外基质主要由50-500nm纤维构成,采用传统纺丝方法难以获得10um以下的纤维。因此,采用各种技术,利用天然或合成的高聚物制备纳米纤维,对细胞外基质进行组成和结构的仿生成为组织工程研究的热点。目前,自组装、相分裂和静电纺丝法是构建纳米纤维支架的主要方法。与其它两种方法相比,静电纺丝成本低、纤维长,可获得有取向的纳米纤维并能控制机械性能和尺寸,因而适用范围广,工业化前景广阔。 作为蛋白质高聚物,丝素一直受到生物医学和材料科学领域研究人员的关注,本课题研究目的是开发丝素基纳米纤维支架,应用于组织工程。支架需具有良好的生物力学性能、尺寸稳定性、高孔隙率和生物相容性,因此,将丝素与明胶共混静电纺丝,提高丝素的可纺性和生物性能,然后再与PLA通过静电纺丝法复合,获得生物相容性好、尺寸稳定性高和生物力学性能优良的复合纤维支架。 本课题首次利用红外光谱、热分析和扫描电镜观察并分析了丝素与明胶的相容性,进行了丝素-明胶的共混静电纺丝;然后研究了丝素-明胶纤维层与PLA复合的可行性,分析了其相互作用及其机理,随之分层构建了PLA/丝素-明胶复合纳米纤维支架,并对其进行了体内外生物性能评价;最后,采用静电纺丝法分层构建了PLA/丝素-明胶管状支架,以期应用于组织工程血管中。 上述研究发现,丝素-明胶具有良好的相容性,最佳静电纺工艺参数为:丝素/明胶共混比70:30,质量分数11%,极距13cm,电压22kV,纤维平均可直径达到83.9nm,纤维的离散程度小,均匀性好;PLA静电纺丝的最佳工艺参数为:质量分数5%、电压25kV、极距15cm、流量0.1ml/h,可获得1342nm的PLA纤维。 丝素-明胶共混纤维膜的溶失率高,断裂强度低,柔性差;经乙醇处理60min后,共混纤维膜的相对强度和初始模量显著增强。此外,纤维膜能够支持人脐内皮细胞生长,但处理后纤维膜变脆,尺寸稳定性差。PLA/丝素-明胶复合纤维膜既具有较高的断裂强度(0.43-0.65 MPa),又具有良好的柔性(伸长率为12.4-19.5%)。有机醇处理后其强度可达到1.98-1.51MPa,伸长率为7.12-7.30%,比有机醇处理的丝素-明胶共混纤维膜伸长率更高。PLA/丝素-明胶复合纤维膜的尺寸稳定性好于丝素-明胶纤维膜,收缩率小,水溶性下降。PLA/丝素-明胶复合纤维膜中丝素-明胶层的孔隙率尽管比纯丝素-明胶膜孔隙率低,但仍具有较高的孔隙率,利于细胞的迁入和生长。 PLA与丝素-明胶通过相互嵌合、物理吸附以及次价键作用形成界面,产生协同作用,抑制丝素-明胶纤维层收缩,提高尺寸稳定性和柔韧性。PLA/丝素-明胶复合管状支架断裂强度为1.28-1.31MPa,伸长率分别达到41.11%(4.5mm)和37.5%(6mm);爆破强度为110kPa,缝合强度超过1.0N/针,均达到血管移植标准。乙醇处理后的PLA/丝素-明胶复合管状支架爆破强度已接近人体隐静脉抗内压能力,达到212.7 kPa(4.5mm)和198.6 kPa(6mm)。 丝素基复合纳米纤维膜能够支持3T3成纤维细胞生长与增殖,溶血率低于5%,不会造成溶血;短期皮下植入试验显示三组静电纺丝素基纳米纤维膜周围组织炎症反应轻微,未见明显差异。综合生物力学性能、溶失率和生物学性能,PLA/丝素-明胶(70:30)复合纳米纤维膜更适合用作细胞培养支架材料,由其形成的管状支架在血管组织工程中具有良好的应用前景。……   
[关键词]:静电纺丝;纳米纤维;PLA;再生丝素;明胶;组织工程
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:苏州大学2009年