编织型复合神经再生导管支架的设计、制备及性能研究

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周围神经缺损后的再生和功能恢复一直是神经科学领域的热门问题。近年来,采用人工神经导管支架,尤其是可生物降解的神经导管支架诱导和促进神经再生被国内外许多学者认为是一个切实可行的方法,逐渐成为研究的热点。神经导管支架作为植入物,不仅要具有一定的机械强度,避免神经再生的过程中出现管壁坍塌等阻碍再生神经生长的现象,还要具备良好的生物相容性,保证在体内尽量不引起或者少引起不良反应,同时又便于细胞的粘附和增值。因此,如何使神经导管支架同时具备上述特性,成为了神经导管支架设计、制备和研究的关键。  本文从周围神经的再生过程入手,设计了一种内外分工不同、以编织工艺为主制备的复合型神经再生导管支架。外部支架的主要作用是支撑神经再生空间,保护再生组织;内部支架的主要作用则为模拟基质桥的连接功能,为神经再生细胞提供吸附的迁移的场所。在此设计基础上,分别对外部支架的编织材料和涂层材料、内部支架的编织材料进行了选择,并提出为了进一步提高内部支架材料的生物相容性,需要对材料进行表面改性。然后着重设计了内部支架的结构,确定了内部支架中小管的形态、放置位置,并以内部支架的表面积为优化参数,通过理论计算确定小管根数为7根时,内部支架的表面积最大,确定了新型导管支架的最终设计方案。  根据设计方案,内部支架材料需要通过改性来提高生物相容性。因此本文对内部支架的候选编织材料,即PGA、PLA和PGLA(90:10)纤维进行改性研究,并选择最优改性方案来决定内部支架的编织材料和改性方案。本文尝试碱处理,氧化处理和超声波化学处理三种未曾被用于改性PGA、PLA和PGLA纤维的改性方法,并详细研究其对纤维性能的影响。  碱处理表面改性方法选用的试剂为NaOH。预实验结果表明,三种纤维的断裂强度和接触角都随着 NaOH浓度和处理时间的增加而降低,改性后的纤维无明显的细胞毒性,符合对生物材料的细胞毒性要求。通过扫描电镜、红外光谱、X衍射和DSC分析比较碱处理前后纤维的形态、分子基团和纤维结构变化,推断出碱处理表面改性过程中纤维发生的变化:大分子的酯键在碱性条件下发生水解,使大分子链变短,生成了更多的端羧基和端羟基,同时也使得结晶区的结构部分破坏,造成了纤维强力的降低,但增加了纤维表面的亲水性和细胞的吸附力。以NaOH处理时间,NaOH浓度和纤维种类三种因素,每个因素选取三种水平来进行正交实验,对纤维的机械性能和亲水性能进行研究。综合考虑后,确定试验的最佳工艺条件为质量分数为2%的NaOH溶液,处理PGLA纤维5min。经碱处理表面改性后,三种纤维在降解过程中表观形态变化加剧,表面变得更加粗糙,凸点增加,部分伴有凹槽的出现,纤维不均性增加。细胞生物相容性实验显示碱处理改性主要提高了细胞在材料上的粘附性,而细胞的增殖影响不大。总体来说,碱处理表面改性会使纤维断裂强度下降,但能够改善纤维的亲水性能和细胞生物相容性。  氧化处理表面改性方法首先分别用NaClO、K2Cr2O7和H2O2作为处理试剂对纤维进行处理。预实验结果初步揭示了三种试剂的浓度和处理时间对纤维拉伸断裂强度和接触角的影响,并证明改性后的纤维无明显的细胞毒性。其中,以H2O2表面改性后的纤维细胞毒性最小,因此选用H2O2表面改性法作为三种氧化处理表面改性法中最有效的方法进行深入研究。H2O2表面改性过程中纤维发生的变化:H2O2的氧化能力将纤维大分子表面的羟基或烷烃基氧化成极性更强的羧基,而羧基的形成既能增加分子间氢键力,使得纤维强度上升,又能增加纤维表面对水分子的吸附力。以H2O2溶液浓度,处理时间和纤维种类三种因素,每个因素选取三种水平来进行正交实验,对纤维的机械性能和亲水性能进行研究,最终确定试验的最佳工艺方案为用质量分数为30%的H2O2溶液,处理 PGLA纤维20min。经H2O2处理改性后,三种纤维在降解过程中表面变得更加粗糙,凸点增加,纤维不均性增加。细胞生物相容性实验显示,H2O2处理改性提高了细胞在材料上的粘附性,促进细胞增殖,改善纤维的细胞生物相容性。总体来说,在工艺条件合适的情况下,H2O2处理改性可以提高纤维的断裂强度,同时改善纤维的亲水性能和细胞生物相容性。  超声波化学表面改性法是利用超声波和化学试剂联合作用的方法。无水乙醇/多聚磷酸混合溶液被选为处理试剂。预实验结果初步揭示了无水乙醇/多聚磷酸体积比和处理时间对纤维拉伸断裂强度和接触角的影响,并证明改性后的纤维无明显的细胞毒性,并对细胞的增殖有一定的促进作用。超声波化学表面改性过程中纤维发生的变化:利用超声波的空化作用,使多聚磷酸分子均匀地分散于混合溶液与纤维表面并发生反应,纤维表面大分子酯键部分水解,生成了更多的端羧基和端羟基,从而增加了纤维表面的亲水性和粗糙度。另外,空化作用产生的羟基自由基,加速纤维表面的质子化,提高纤维的表面自由能。以无水乙醇/多聚磷酸体积比,超声波功率、处理时间和纤维种类四种因素,每个因素选取三种水平来进行正交实验,对纤维的机械性能和亲水性能进行研究,确定试验的最佳工艺方案为溶液的无水乙醇/多聚磷酸体积比为1:1,超声波处理功率250W,处理时间6min,处理纤维为PGLA纤维。经超声波化学处理改性后,纤维在降解过程中表面光洁度变差,但是较为均匀。细胞生物相容性实验显示,超声波化学处理改性提高了细胞在材料上的粘附性,促进细胞增殖,改善纤维的细胞生物相容性。总体来说,在工艺条件合适的情况下,超声波化学处理改性可以提高纤维的断裂强度,同时改善纤维的亲水性能和细胞生物相容性。  根据纤维改性的实验结果,选取改性效果最佳的H2O2改性方案,根据设计方案制备新型神经导管支架,并进行性能测试。导管支架的性能测试结果表明,新型复合神经再生导管支架结构均匀稳定;内管的平行排列不仅为神经再生提供了良好的通道,定向引导轴突的生长,其疏松的结构和较大的孔隙也为细胞的粘附和生长提供良好的空间,为物质的交换提供了适宜的环境。压缩性能也优于未经过涂层的单层导管支架和具有涂层的单层导管支架两种对比结构的支架,其形态结构和机械性能基本达到了预期的设计效果。  综上所述,本文对新型复合神经再生导管支架设计、选材、制备和性能进行了系统研究,并对其编织材料的改性方法进行了有益的尝试,为进一步改进和优化神经导管支架的结构和性能及PGA、PLA和PGLA纤维的改性方法提供了一定依据。
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