聚吡咯/聚多巴胺纳米复合材料的制备及其与成骨细胞相互作用的研究

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近年来,导电高分子纳米材料已经成为材料制备领域的研究热点之一。聚吡咯(PPy)作为导电高分子家族的重要成员,是目前研究最多并且最具有应用价值的导电高分子之一。相比于其它导电高分子,聚吡咯纳米材料不仅具有优异的稳定性、导电性以及抗腐蚀性,还具有良好的生物相容性,因此广泛应用于金属种植体涂层、药物释放载体、组织工程支架材料等生物医学领域的研究。随着人们对生物医学材料性能需求的不断提高,深入探索功能性更强、应用性更广的聚吡咯纳米复合材料已经成为聚吡咯研究的新趋势。  自从科学家发现仿贻贝粘连蛋白的多巴胺分子在碱性有氧水环境下能够自聚合,多巴胺已经成为表面修饰领域的研究热点。多巴胺可在包括金属、金属氧化物、高聚物甚至超疏水表面等多种材料表面沉积成膜,且该过程不受三维结构限制,显示出极为巨大的潜在应用。虽然聚多巴胺形成机理还不甚清楚,但由于其可以进一步与氨基或巯基发生加成反应,由此可以实现膜表面生物活性分子(多糖、生长因子、蛋白质等)的固定,因而被广泛应用于生物材料表面修饰领域。由于高分子纳米材料表面易于修饰,因此,人们设想通过多巴胺实现对聚吡咯纳米材料表面进行复合改性,构造出一种新型的聚吡咯/聚多巴胺纳米复合材料。纳米形貌的聚吡咯有良好的生物相容性,但其生物活性较低,而聚多巴胺不仅具有生物相容性还有生物活性,此外,目前对聚多巴胺的研究主要针对其普通形貌,纳米形貌的聚多巴胺可能具有更好的生物功能。因此聚吡咯与聚多巴胺的复合作用将是相互的,聚多巴胺的修饰影响聚吡咯表面的生物活性,而聚吡咯的形貌特征同时影响着聚多巴胺的性能,这为该复合材料的物理化学性能及其在生物医学领域的应用带来了研究价值。  随着社会的发展,因骨缺损造成的骨移植材料的需求急剧增加,良好的骨移植材料不仅需要具有良好的生物相容性,还要具有骨诱导活性,因此寻找和探索有效的新型骨移植材料具有非常重要的意义。聚吡咯用于骨移植材料的探索已有报道,然而其实际应用受生物活性的限制。成骨细胞(MC3T3-E1)是成骨过程非常重要的细胞,植入材料的生物相容性及生物活性直接影成骨细胞的生物学特征,是植入手术成败的关键。由于聚吡咯纳米线能够促进细胞的粘附与增值,而聚多巴胺不仅能够提高材料的生物相容性,还有助于引导材料表面的矿化,可以预见聚吡咯纳米材料与聚多巴胺的有机结合将对成骨细胞生物学特征产生积极的影响。  因此,本文主要研究内容如下:(1)改变电化学聚合方式及聚合时间,制备不同形貌及尺寸的聚吡咯纳米线,并对其各项物理化学性能进行分析表征;(2)通过溶液氧化法,在不同的沉积时间下,在聚吡咯纳米线表面获得聚吡咯/聚多巴胺纳米复合材料,并进行各项物理化学性能的分析表征:(3)探究成骨细胞在聚吡咯/聚多巴胺纳米复合材料表面的粘附、增殖及生物学合成情况。  主要研究结果如下:(1)采用恒电压聚合法,在聚合时间为200s时,能够得到形貌均匀统一的,长径比较高的聚吡咯纳米线。在溶液中氧化聚合5h时,获得的复合材料具有均匀的纳米线形貌。(2)材料分析结果显示,单一聚吡咯纳米线表面光滑,直径在40-60 nm,长度为微米级,长径比较高。聚多巴胺为排列紧凑的粒子,膜厚度约为20 nm。聚吡咯/聚多巴胺纳米复合材料纳米线直径约为80-100 nm,表面较为粗糙,保持较高的长径比。电化学活性测试结果表明复合材料具有显著的氧化还原活性,稳定性较高,而且具有防腐性能。经聚多巴胺修饰之后,亲水性明显提高,且仍然具有一定的导电性,这一性能拓展了复合材料在电刺激响应性材料方面的应用;(3) MTT法表明,该复合材料有助于细胞的粘附与增值。荧光染色及扫描电子显微镜进一步证明了聚吡咯纳米线经聚多巴胺修饰之后,有助于细胞在其上面的粘附及铺展。BCA蛋白检测试剂盒结果显示,复合材料上的成骨细胞蛋白合成量最多,即细胞新陈代谢活性最高。ALP碱性磷酸酶活性测试表明,聚吡咯/聚多巴胺组的酶活性明显高于单一的聚吡咯纳米线组及普通形貌聚多巴胺组,进一步证明纳米形貌的聚吡咯经聚多巴胺表面改性后,能够促使成骨细胞提前进入成熟期,进行矿化成骨。
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