静电纺丝Zn金属有机框架复合材料的生物功能化研究

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目前,全球每年在骨科、神经外科、牙科的骨移植手术超过200万例。随着我国人口老龄化加剧,预测到2050年,我国60岁及以上老年人口数量将达到4.83亿,未来社会对于植入医疗器械的需求将会显著增加。植入医疗器械的术后感染问题日益突出。当前临床上主要是切除感染组织和严格的抗生素治疗,严重者需要反复手术翻修植入物,甚至需要截肢,给患者、家庭和社会带来严重的心理、生理和经济负担。细菌感染导致的骨缺损等问题,一直是临床上的难题。研究者后续研发了骨水泥和各类高分子骨填料,但材料的临床应用仍然面临着不可降解,抗菌效果不长效,或是无法实现细胞在其上有效黏附等问题。因而针对感染性骨缺损,开发一种能够持续高效抗菌且具有促成骨效果的可降解填料显得尤为迫切。本论文采用静电纺丝技术将ZIF-8及其复合载体万古霉素(Van)@ZIF-8,简称V@Z,装载进聚乙烯醇(PVA)中,依靠其中释放的Zn2+和Van实现单独或联合抗菌。此外,静电纺丝膜的物理结构与细胞外基质极为类似,且ZIF-8中能够释放Zn、N元素,因而该材料能够从物理和化学调控两个角度促进细胞在其上的黏附和增殖。主要研究内容如下:首先,通过机械搅拌法,制备三种不同粒径的ZIF-8粒子。后采用ZIF-8封装Van,制备V@Z复合粒子。结果表明,V@Z是一种p H响应性粒子,具有较强的抗菌性能。ZIF-8和V@Z分别在0-25μg/m L和0-50μg/m L浓度范围内具有较好的生物安全性。其次,通过静电纺丝技术,将上述制备的不同粒径ZIF-8粒子包裹进PVA中,制备出具有特殊结构的亲水性纤维膜。首先对ZIF-8的适宜掺杂浓度进行了探究,结果表明当掺杂量为PVA的10 wt%时纤维膜具有最优的生物性能。后在此浓度下改变ZIF-8粒径,探寻纤维膜拓扑结构的变化对细胞行为的影响。结果表明,随ZIF-8粒径增大,纤维膜的生物相容性有一定程度的降低。即将小粒径ZIF-8掺入膜中具有最好的生物相容性,且粒子的存在能够增大单个细胞的铺展面积,促进细胞黏附。最后,通过静电纺丝技术,将V@Z复合粒子包裹进PVA中,制备出具有较强抗菌性能的PVA/V@Z纤维膜。该纤维膜具有良好的表面抗细菌黏附性,其缓释杀菌性能高达99%。细胞在其上的平均铺展面积高达3644μm~2左右,相较于细胞在PVA上的铺展面积(1690μm~2)来说显著提高。利用静电纺丝技术,将ZIF-8及其复合粒子V@Z包裹进PVA纤维中,该复合纤维膜具有良好的抗菌和促细胞黏附性能,有希望应用于感染性骨缺损治疗中。
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