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骨组织工程是一个交叉的多学科研究领域,为整形外科中的骨缺损提供新的替换材料。这种人工合成的细胞支架应具有良好的生物相容性,可为细胞提供生存的空间,有利于细胞获得足够的营养物质,进行气体交换,排除废料,在生物材料逐步降解的同时,种植的骨细胞不断增殖,从而达到骨修复的目的。人体骨组织的主要成分是有序排列的胶原(Collagen)和取向的纳米羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)组成的有机/无机复合体。从仿生角度出发,希望得到一种具有优异的强度和韧性、功能适应性以及对损伤具有自愈合能力的支架材料。壳聚糖(Chitosan,CS)是一种碱性多糖,带正电荷,具有良好的生物相容性和可控的生物降解性,能促进骨细胞的分化,有助于骨骼的生成。聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)是一种人工合成的脂肪族聚合物,对人体无毒,植入人体后可被缓慢吸收,且具有良好生物相容性和力学性能。本文以CS和PCL为有机材料,引入具有生物活性的无机材料,制备兼具有机和无机材料的特性的复合骨修复材料,并对其理化性能及细胞相容性进行研究。 首先,通过水热法制备聚丙烯酸(PAA)改性的棒状纳米羟基磷灰石(HA)。FTIR、XRD和TEM分析结果显示:制备获得了径向尺寸为10-30nm,长度为60-150nm的棒状纳米HA。用PAA改性HA,通过PAA的添加量可控制纳米HA的长径比。PAA可在HA表面形成一层薄膜,且对HA的晶体结构未造成显著影响。 其次,以醋酸/丙酮为混合溶剂,溶解不同配比CS和PCL,并在有机基质中添加不同含量的HA(0-40%),搅拌均匀后,-20℃预冻,通过冷冻干燥技术制备CS/PCL/HA-PAA三维多孔支架材料。理化表征显示:复合材料中,CS、PCL、HA-PAA之间存在分子间氢键,分子间氢键间的形成抑制了PCL在复合材料中的重结晶。SEM结果显示,在复合材料中存在孔径不一、相互贯通的孔;用烯酸去除CS和HA,剩下的PCL彼此间相互连通,形成支架材料的骨架。力学性能表明:随着HA-PAA在复合材料中的含量从0%增加到40%,弯曲强度和弯曲模量分别下降了59.36%和20.93%,而其硬度升高了28.57%。 随后,对制备获得的CS/PCL/HA-PAA复合材料的体外细胞相容性和骨诱导行为进行了初步研究。研究结果表明:将HA-PAA添加到CS/PCL复合材料中,能促进小鼠颅顶前骨细胞(MC3T3-E1)的增殖与分化;MC3T3-E1细胞在材料表面能够很好的粘附与铺展,生长至7d,细胞分泌细胞外基质;茜素红染色显示,将细胞培养在材料浸提液中21d,在培养皿中形成大量的钙结节。说明复合材料可促进成骨细胞外基质中钙盐的沉积,对新骨的形成有促进作用。 以六氟异丙醇(HFIP)为溶剂溶解CS、PCL,通过溶液浇铸的方法制备CS-PCL复合膜,然后将制得的CS-PCL复合膜浸泡在10×SBF溶液中,在材料表面矿化形成类磷灰石层。理化表征表明,CS-PCL复合膜在10×SBF溶液中浸泡6h后,在材料表面形成花椰菜状类磷灰石,浸泡时间延长至24h,形成连续的类磷灰石层;CS与PCL共混,改善了CS/PCL复合膜表面的疏水性。WST-1实验结果表明,矿化过程能促进MC3T3-E1细胞的分化;MC3T3-E1细胞在矿化后的复合材料表面粘附、铺展、延伸,细胞增殖速度高于未矿化的复合材料。 以45S5生物活性玻璃(BG)为原料,采用有机模板复制法制备BG多孔陶瓷支架,接着将其浸泡在CS-PCL混合溶液中,室温干燥,获得涂层BG支架。然后将CS-PCL溶液滴加在涂层BG支架表面,-20℃预冻后,采用冷冻干燥技术制备涂层BG/CS-PCL双层支架材料,并观察骨骼层(涂层BG层)软骨层(CS-PCL层)间的界面形貌。采用MG-63细胞对BG支架和涂层BG支架的体外细胞相容性进行研究。同时,将涂层BG支架材料装载药物万古霉素,研究其体外药物释放及其体外降解行为。