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聚(乳酸-羟基乙酸)共聚物(poly(lactide-co-glycolide),PLGA)具有良好的生物相容性和生物可降解性,已被广泛用于骨移植替代品。碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs),基于一系列在电子、热和机械等方面的特性,在生物医学领域也已成为关注的焦点。鉴于骨髓间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)具有可获得性、可扩增性和良好的成骨分化潜能可作为较理想的骨组织工程种子细胞。
本文以PLGA和多壁碳纳米管(multi-walled CNTs,MWCNTs)为材料,用浓硫酸和浓硝酸的混酸对多壁碳纳米管表面处理得到羧基功能化的多壁碳纳米管(carboxylation multi-walled CNTs,MWCNTs,c-MWCNTs),采用溶剂浇注的方法,制备出一种新型的多壁碳纳米管修饰的PLGA复合膜;采用红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)对c-MWCNTs进行表征,用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角等对复合膜表面进行分析。通过一系列实验评价多壁碳纳米管修饰PLGA复合膜的力学性能、体外降解以及蛋白吸附行为。
利用全骨髓贴壁培养法成功分离培养MSCs。以PLGA和PLGA/MWCNTs膜为对照,将MSCs种植于PLGA/c-MWCNTs复合膜上进行细胞相容性评价,用SEM观察细胞在支架材料上的黏附情况:分别使用DAPI染色、WST-1检测细胞在膜材料上的粘附和增殖;利用碱性磷酸酶活性(ALP)和茜素红实验对MSCs在膜材料上向成骨细胞的分化能力进行评估;采用RT-PCR法检测MSCs在复合膜上向成骨细胞的分化情况。
研究结果表明,MWCNTs经过混酸处理后得到的功能化MWCNTs,即c-MWCNTs在溶剂中的分散性明显提高;通过FTIR和TGA结果显示,c-MWCNTs表面含有活性功能基团(羧基、羟基等);TEM显示,混酸处理的多壁碳纳米管的直径和长度比原始多壁碳纳米管的直径和长度小和短,功能化多壁碳纳米管的端口和侧壁都有PLGA包裹。SEM表征多壁碳纳米管修饰PLGA复合膜显示,混酸处理的多壁碳纳米管在PLGA聚合物中分散均匀。XPS分析表明,各类膜化学组分相似;接触角测试结果显示,复合膜的亲水性得到提高,AFM结果证实,复合膜表面粗糙度的增加导致复合膜亲水性的提高。力学性能检测结果显示,c-MWCNTs的复合提高了PLGA聚合物的力学强度;体外降解实验结果表明,PLGA和多壁碳纳米管修饰的PLGA膜均具有生物降解性。材料表面的蛋白吸附结果表明,复合膜表面吸附的血清蛋白量比纯PLGA膜的蛋白吸附量显著增加。
PLGA膜、多壁碳纳米管修饰的PLGA复合膜分别与MSCs进行体外共同培养的结果表明,与单纯PLGA膜相比,MSCs与复合膜表现出更好的细胞亲和性。MSCs在复合膜表面铺展良好,与复合膜形成紧密结合。碱性磷酸活性和茜素红法检测钙离子以及RT-PCR法的实验结果均表明,PLGA/c-MWCNTs能促进MSCs向成骨细胞方向分化。鉴于PLGA的易塑形等特点,本文的研究结果可为制备三维PLGA/c-MWCNTs复合骨修复支架提供基础。