背景:骨组织是人体分布最广泛、最普遍的器官之一,其功能的丧失是导致生活质量下降的主要原因之一。自体或异体骨移植是目前骨缺损最主要的治疗方法,但是其供体的缺乏、手术的创伤性较大和高成本等都是困扰患者和临床医生的难题。国际上每年大约有200万例脊柱、骨盆骨和其他躯干骨的骨移植手术,然而,无论是自体骨还是异体骨移植,约有50%的植入物很快就会失效。骨与关节相关疾病如骨质疏松症、关节炎、肥胖、糖尿病、癌症等的高发,会对骨组织造成损伤,影响人体骨骼的健康和功能。为了获得适当的骨再生,骨组织工程受到了广泛关注。磷酸钙骨水泥(CPC)由于其生物相容性和骨传导特性,以及其可注射性,在牙科、骨科和重建手术中具有用于微创手术的潜力,是一种很有前途的骨替代材料。已经成为临床常用的骨缺损替代产品,但是,单纯的CPC缺乏骨诱导能力的特点限制了其在骨再生重塑中的应用。因此越来越多的研究侧重于通过不同的方式对磷酸钙进行改性,从而得到载有生物活性因子的磷酸钙。有几种类型的骨生长因子,包括骨形态发生生长因子(BMP)、成纤维细胞生长因子(FGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、血管内皮生长因子(VEGF)、胰岛素样生长因子(IGF)。在所有这些生长因子中,BMP被认为是在胚胎发育、生长、愈合和整个成年期形成骨组织最有效的方法。越来越多的报道检测了BMP用于骨缺损的体内应用和生物学基础。地塞米松(DXM)是一种有效的类固醇糖皮质激素,已广泛应用于各种医学和生物学应用。已有研究报道,过量的应用DXM可诱导骨质疏松甚至病理性骨折,而适当剂量的DXM在体外可促进成骨细胞分化和骨矿化,将地塞米松和rh BMP2同时应用于组织工程支架中,二者可以起到协同作用,增强组织工程支架骨诱导的能力。同轴电纺是制备纳米纤维支架的一种简单而有效的方法,在组织工程和药物输送系统中得到了广泛的应用。同轴电纺支架具有高表面体积比,可促进细胞附着,实现药物装载,并证明其具有持续和可控的药物缓释能力。以往的研究表明,一些生物分子可以成功地封装在纳米纤维中,同时生物分子的生物活性被保留,如rh BMP-2作为生长因子可以成功地包含在同轴电纺纳米纤维膜中,实现了持续的药物释放和保存生物活性。丝纤维素(SF)是一种天然结构蛋白,具有良好的生物特性,如细胞附着力好、可控制降解、机械强度、渗透性和抗酶降解性。在组织工程和控制药物输送系统都进行了广泛的研究。PLGA因为其良好的生物相容性及可控制的降解速率已经得到了广泛的应用。并且被FDA批准人类临床使用。然而,尽管具有生物相容性,纯PLGA在骨再生的临床应用中受到骨传导性能差的阻碍,并且在承重部位应用时的机械性能不理想。因此,在本研究中,将SF/PLGA同轴静电纺丝纳米纤维膜用于组织工程支架的一部分。利用同轴纤维良好的药物装载能力分别将rh BMP2和DXM装载到芯层和壳层。并通过自主研发的接收装置利用静电纺丝技术将该纳米纤维膜三维包覆于制孔的磷酸钙上,得到了一种新型的多功能复合支架,在骨缺损的治疗中发挥作用。目的:本课题通过同轴静电纺丝技术制备载有rh BMP2和DXM的SF/PLGA纳米纤维膜,并通过自主研发的接收装置将SF/PLGA纳米纤维膜直接紧密包覆于制孔的磷酸钙上,得到了一种基于磷酸钙人工骨的新型复合材料SF-DXM/PLGA-rh BMP2/CPC。通过体内及体外实验,证明复合材料具有良好的诱导成骨的能力,为临床治疗骨缺损提供了新的研究方向。方法:1.采用同轴静电纺丝的方法,制备载有不同浓度rh BMP2的SF-DXM/PLGA-rh BMP2纤维膜,芯层为搭载rh BMP2的PLGA,壳层为搭载DXM的SF。通过对纳米纤维膜形貌结构、力学性能、亲水性能等表征以及药物缓释特性进行评估。2.结合体外大鼠骨髓间质干细胞(BMSCs)进一步探讨双重载药纳米纤维促进细胞增殖的能力以及成骨诱导能力。3.通过课题组发明的新型接收装置采用静电纺丝方法将前期实验得到的同轴纳米纤维膜三维包覆于制孔的磷酸钙骨水泥表面,控制纺丝时间(20min、40min、60min)得到不同厚度的三维包覆纤维膜,对其力学性能,亲水性能等进行评价。通过对BMSCs与复合材料的共培养,采用细胞增殖实验、活死细胞染色、茜素红染色及碱性磷酸酶染色及PCR等实验对复合磷酸钙支架的体外生物性能进行评价。4.建立大鼠颅骨缺损模型,将复合材料植入骨缺损中,于4周,8周对大鼠进行Micro CT及HE染色,通过体内实验进一步评价复合材料的生物学性能及促进成骨能力。结果:1.本研究成功制备了具有壳芯结构的纳米纤维丝。药缓释放实验表明同轴纤维芯层和壳层可以分别持续稳定的释放rh BMP2和DXM。体外细胞实验说明SF/PLGA具有良好的生物相容性,其中双重载药的纳米纤维膜在诱导成骨及细胞增殖活性上都有明显的促进作用。2.复合磷酸钙支架在纺丝时间40min时得到了比单纯磷酸钙及其他纺丝时间的复合磷酸钙更优良的亲水性能及力学性能的复合材料。通过CCK8及活死细胞染色等实验验证了复合材料具有良好的生物相容性,通过茜素红染色、碱性磷酸酶染色及PCR实验等多角度证明了载药的三维包覆的磷酸钙复合材料具有促进细胞增殖,诱导成骨分化的作用。其中SF-DXM/PLGA-rh BMP2/CPC具有更好的诱导成骨能力。通过将复合磷酸钙植入大鼠颅骨缺损模型,micro CT、HE染色等多个角度证实了双重载药纳米纤维膜包覆的磷酸钙(SF-DXM/PLGA-rh BMP2/CPC)具有更好的促进成骨能力。结论:本课题通过静电纺丝技术成功制备了载有rh BMP2和DXM的同轴纳米纤维,该纳米纤维具有良好的药物缓释能力及生物相容性。虽然单纯的纤维膜具有一定的抗拉伸能力,但其力学性能较弱限制了进一步的应用。磷酸钙人工骨以其良好的力学性能以及成骨矿化能被广泛的应用于临床,但其本身的物理结构影响了自身载药的能力,不能进一步的诱导BMSCs成骨,限制了其发展潜力。本实验采用课题组新研发的静电纺丝接收装置将该纤维膜三维包覆于制孔磷酸钙表面得到了一种新型的复合磷酸钙支架,该复合磷酸钙支架由于纳米纤维膜的紧密包裹,增强了其力学折弯和压缩能力,同时还具有同轴纤维膜的药物缓释能力。通过体内体外的实验证实了这种载药的复合磷酸钙支架具有良好的理化性能以及诱导成骨的能力,为骨组织工程材料的选择提供了新的思路。