细菌纤维素/明胶复合多孔支架的制备及性能研究

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细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)是由相互交错的纳米纤维所组成的兼具微米级多孔和纳米纤维的三维网络结构,是细胞黏附、生长和增殖的主要场所。设计组织工程支架作为ECM替代物的关键是从结构和功能上模拟ECM。明胶(Gelatin,Gel)支架具有均匀的与ECM微观尺度相近的微米级多孔结构,且同时具有较强的细胞黏附性、可生物降解性以及溶胶-凝胶可逆转变等特性,是理想的组织工程支架材料;然而在纳米尺度上缺乏纳米纤维网络,力学性能较差,降解快等缺点限制了其在组织工程中的应用。细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)具有模拟ECM的天然纳米级纤维,本文选用其作为明胶组织工程支架的纳米纤维网络及结构增强材料,实现其与明胶微米级大孔的优化组合,制备出模拟ECM具有三维微孔与纳米纤维结构的组织工程支架。具体工作如下:(1)采用冷冻干燥技术制备明胶三维多孔支架,研究不同明胶溶液浓度对支架孔径结构的影响;SEM结果表明,随着明胶溶液浓度的提高,三维支架孔径减小;当明胶溶液的浓度为1 wt%时,支架形貌规整,孔孔相通,平均孔径229±25μm、孔隙率83.02±4.7%,选定此浓度作进一步研究;(2)采用纤维均质法制备细菌纤维素/明胶多孔支架(BC/Gel)。实验结果表明,BC/Gel复合支架同时具有微米级多孔及纳米纤维网络,有效模拟了ECM的结构;随着BC纳米纤维含量增加,复合支架孔径减小,Gel:BC(6:4),Gel:BC(5:5),Gel:BC(4:6)的平均孔径分别为111±24μm,100±9μm和84±15μm;Gel:BC(4:6)的压缩模量为1.48±0.23 MPa,是明胶支架的4.5倍(0.33±0.07 MPa),BC的加入提高了明胶支架的压缩模量,增强效果显著;在降解实验中,复合支架在56(8周)的失重在30%左右,相对于明胶支架(8周失重为68.9±6.2%)在较长时间内维持了其结构的稳定性,有望根据具体组织的修复要求,通过改变复合材料内BC纳米纤维的含量来适当调节支架的力学性能和降解速率;BC的加入也提高了支架微孔孔壁的粗糙度,含有BC纳米纤维的BC/Gel复合支架更有利于细胞的黏附、增殖和生长,有良好的生物学性能。(3)通过H2SO4水解和TEMPO催化氧化两种方法对BC进行化学改性,并制备改性BC/Gel复合支架;结果表明,两种方法均从纳米尺度上进一步减小了BC的尺寸,提高了BC纳米纤维在复合支架中的分散性;BCNW/Gel和TOBC/Gel复合支架均具有与BC/Gel相似的微米级大孔和纳米纤维网络,其孔规整性和孔径有所提高,平均孔径分别为126±23μm和146±35μm;压缩模量均有所提高;两种改性方法均提高了支架的降解速率,其中TEMPO催化氧化法引入了亲水性更好的羧基,进一步加快了复合支架的降解速率,有望改善BC在体内不易降解的问题;ADSCs细胞在TOBC/Gel支架上黏附紧密,与材料结合力强,具有较好的生物活性,TOBC/Gel支架在可降解组织工程领域具有良好的应用前景。
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