壳聚糖—二氧化硅纳米杂化材料的制备及细胞相容性研究

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有机-无机杂化材料中存在有机-无机分子互穿网络或以共价键连接的有机-无机分子互连网络,其有机组分与无机组分能在分子尺度相互作用,不存在明显的相界面。与传统复合材料相比,杂化材料中的有机与无机组分之间的作用力大幅增强,能够最大限度地综合有机材料和无机材料的优点,呈现出新颖的优异的性能。理想的骨修复材料要具有良好的力学性能、生物活性和可控的三维结构,可以引导和刺激血管与骨细胞的生长,单纯的无机生物材料和高分子材料或传统复合材料无法满足要求。探寻高性能有机-机杂化材料成为骨修复材料研究的重要方向。壳聚糖-二氧化硅杂化材料(Chitosan-Silica Hybrids,CSHs)具有良好的细胞相容性、生物活性、促进创伤修复的优点,有潜力应用于骨组织修复。本研究基于壳聚糖与二氧化硅正负电荷相互作用的机理,采用溶胶-凝胶法制备了高强度的壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料,通过设计不同反应条件、不同有机/无机组分比例探讨其对壳聚糖-二氧化硅杂化材料结构和性能的影响。采用3D打印技术构建壳聚糖-二氧化硅杂化材料多孔支架,并结合3D打印-冷冻干燥法构建了具有二级多孔结构的壳聚糖-二氧化硅杂化材料多孔支架,研究了不同有机/无机比例、不同多孔结构对支架性能的影响,并通过体外细胞培养实验研究了其对mBMSCs粘附、增殖及成骨分化的影响。通过在CSH支架表面构建明胶-GPTMS修饰层,研究了明胶-GPTMS修饰对支架的生物活性的影响。具体内容为:(1)研究了不同酸性条件对溶胶-凝胶法合成的壳聚糖-二氧化硅杂化材料(CSHs)的结构和性能的影响。其中以弱酸(乙酸,pH=4)催化的溶胶-凝胶法可成功制备具有有机和无机组分在纳米尺度均匀分散,外观均一透明的壳聚糖-二氧化硅纳米杂化材料,而在强酸性条件下CSHs中的二氧化硅组分倾向于聚集,并且聚集程度随着反应体系的酸性的增强而增加。在弱酸性条件下制备的CSH50,在湿态时杨氏模量为314±27MPa,是强酸性条件下制备的CSH50-HCl-pH4和CSH50-HCl-pH2.8的266%和1169%,压缩强度为42.6±3.3MPa,远高于CSH50-HCl-pH4(14.2±2.5MPa)和CSH50-HCl-pH2.8(6.27±0.31MPa),并且优于以往的研究所制备的壳聚糖-二氧化硅杂化材料,并探讨了壳聚糖和二氧化硅相互作用形成纳米杂化材料的机理。进一步探讨了不同有机/无机组分对壳聚糖-二氧化硅杂化材料的力学性能和细胞相容性的影响。结果表明,随着无机含量的增加,CSHs的弹性模量和力学强度增加,但破坏应变率下降。在弱酸性条件下制备的CSHs均显示出良好的韧性。细胞培养的结果表明小鼠间充质干细胞(mBMSCs)培养48h后即在CSH70材料上呈不规则多边形伸展,粘附性能良好。而在CSH50材料表面的粘附和增殖情况稍差,但与对照组无显著性差异,表明CSHs均无细胞毒性。(2)应用3D打印技术制备了一系列壳聚糖-二氧化硅杂化材料多孔支架(CSH支架),并结合冷冻干燥法,构建了具有二级多孔结构的CSH-FD支架,对支架进行了微观形貌、力学性能、体外矿化等表征与测试,并研究了其体外生物学性能。结果表明:CSH60支架和CSH60-FD支架的孔隙率分别为46.5±3.3%和88.5±4.1%,孔隙在三维方向互相连通。CSH支架均具有较高的力学强度,其中CSH60支架的力学强度最高,断裂压缩应变率达到42.5±3.2%;而CSH-FD支架的力学强度均较低,具有柔韧性。体外细胞培养实验表明mBMSCs在具有二级多孔结构的CSH-FD支架上铺展和增殖良好,CSH60-FD的成骨分化性能较强。但在无微孔结构的CSH支架上增殖情况较差。(3)以γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)为偶联剂,制备了明胶-GPTMS修饰的壳聚糖-二氧化硅杂化材料多孔支架(CSH-Gel支架),通过全反射红外、水接触角、SEM等表征和测试,研究明胶-GPTMS的修饰对支架的结构和性能的影响,并研究了CSH-Gel支架的体外生物学性能。结果表明:CSH-Gel支架比修饰前的体外生物矿化能力明显提高,明胶-GPTMS的修饰改善了细胞在支架上的粘附和增殖,经过明胶修饰的壳聚糖-二氧化硅支架具有良好的细胞相容性。
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