聚乳酸/羟基磷灰石复合纤维及其热压制品的制备及降解行为

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在生物材料中,聚乳酸(PDLLA)有良好的相容性,但其强度低,降解产物呈酸性,易引起局部无菌性炎症。羟基磷灰石(HAp)能与骨直接结合,是生物相容性良好的骨修复材料,但是其力学强度低,脆性大,抗折及抗冲击性能不能满足高负荷人工骨要求。电纺纤维制得的无纺布,具有孔隙率高、比表面积大、纤维精细程度与均一性高、长径比大等优点。因此,用PDLLA和HAp制备复合纤维支架及其热压制件可作为组织再生和修复材料,在生物医用领域具有较大的应用潜力。本论文研究主要分三部分,包括改性PDLLA纤维、诱导矿化纤维、矿化纤维热压复合材料。生物降解性能是在组织再生支架和组织修复材料中需要考虑的关键问题之一,本论文采用体外模拟降解实验详细考察了上述三类材料的降解行为,分析了降解机制和主要影响因素。为解决PDLLA纤维膜表面亲水性不足的缺点,通过两条途径获得功能化PDLLA纤维,一是通过在PDLLA大分子上引入功能基团,再电纺成纤维;另一条途径是先制备PDLLA电纺纤维,再接枝明胶等生物大分子。用傅立叶变换红外光谱和核磁磁共振谱验证上述改性过程,定量表征了PDLLA分子上的胺基、羟基、羧基和明胶含量。结果表明电纺纤维直径在2μm左右,功能基化PDLLA中平均每100个乳酸单体中所含各基团个数为5.6左右,纤维表面明胶接枝量为0.21μg/cm2。功能化PDLLA纤维体外降解结果表明,改性PDLLA纤维的亲水性影响水分子进入聚合物基质速度,而疏水性纤维内部酸性降解产物的蓄积加快了基质聚合物的降解,上述过程都影响到纤维的降解行为。将改性PDLLA纤维降解16周后,基团改性纤维降解较快,其中羧基改性PDLLA纤维(C-PLA-F)降解速度最快,而明胶改性PDLLA纤维(Gel-PLA-F)被水浸润的较高,故其降解速度稍快于PDLLA纤维(PLA-F)。为改善复合纤维中羟基磷灰石的分散问题,采用改性纤维中的功能基团和接枝大分子诱导矿化得到复合纤维膜,扫描电子显微镜(SEM)观察表明在纤维表面诱导形成无机HAp,含量在15%左右,红外光谱证明诱导矿化过程中羧基与钙离子作用诱导成核,矿化复合纤维呈现超亲水性。体外降解结果表明,基团改性纤维诱导矿化中羧基参诱导矿化过程,抵消了改性基团对聚合物降解的促进作用,羧基改性PDLLA矿化纤维膜(C-PLA-M)中聚合物的降解速度、吸水率和无机物的重量剩余率率要低于羟基羧基改性PDLLA矿化纤维膜(HC-PLA-M)和胺基羟基羧基改性PDLLA矿化纤维膜(AHC-PLA-M);而明胶改性矿化纤维膜(Gel-PLA-M)中,纤维表面的HAp对聚合物降解和纤维膜的吸水的促进作用明显降低。Gel-PLA-M降解速度较为缓慢,而无机物HAp在降解中的溶释加快。为获得满足临床应用要求的骨修复材料,将矿化纤维在优化的热压条件下获得复合材料,SEM观察表明热压材料中保持了纤维的形貌特征,力学性能测试表明,与共混纺纤维热压材料相比,改性纤维诱导矿化热压复合材料强度增大,但韧性减弱。体外降解结果表明,在13周后材料内部仍保持良好的纤维形貌与结构。复合纤维热压材料的降解明显快于PDLLA纤维热压材料。在复合纤维热压材料中,氨基羟基羧基改性PDLLA矿化纤维热压材料(AHC-PLA-P)和明胶改性PDLLA矿化纤维热压材料(Gel-PLA-P)要稍快于PDLLA/HAp混纺纤维热压材料(BPLA-P)。通过上述研究,获得了可作为组织再生支架和硬组织修复材料的改性PDLLA电纺纤维、诱导矿化复合纤维和热压复合材料,获得的体外降解特征对临床应可提供一定的技术支撑。
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