TEMPO-氧化细菌纤维素/羟基磷灰石复合材料的合成和特性

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目的:探讨优化细菌纤维素氧化改性的条件,以获得羧基含量较高的氧化细菌纤维素。研究氧化细菌纤维素/羟基磷灰石纳米复合材料的合成和特性,以及体外生物相容性。  背景:近年来,骨疾病引发的骨组织缺损不能通过正常治疗来改善,必须进行骨移植手术。传统的骨移植包括自体移植和异体移植。目前传统的骨移植已经不能满足临床需求了。自体移植的骨移植来源有限,而且移植过程也会给患者带来额外的手术疼痛。异体移植经常会引起移植物排斥反应。为了满足临床病人需求,必须要寻找新的骨修复方法和骨替代材料。因此,骨组织工程作为一种新的骨修复方法被提出。骨组织工程采用生物合成的骨替代品来重建具有生理活性的骨组织。此外,由于骨组织工程的替代材料可以容易塑成复杂的结构,使其可能在骨修复上无限制的应用。骨组织工程修复中最重要的就是寻找合适的骨替代品作为支架材料。生物骨是由胶原蛋白作为基质与羟基磷灰石晶体组成的生物复合物。因此,胶原蛋白、纤维素、壳聚糖、羟基磷灰石等与生物骨结构成分相似的材料,被广泛用于骨组织工程修复的支架材料。  纤维素是一种含量丰富的、生物可降解、具有良好生物相容性的天然高分子,已经在骨修复应用方面引起了人们的关注。特别是由木醋杆菌产生的细菌纤维素,它是一种可再生,生物相容性良好的纳米生物材料。与植物纤维素相比,它独特的三维网状结构使其具有了特殊性能。致密网状结构使其具有较好的力学性能,同时三维网状结构与生物骨细胞外基质结构相似,能为细胞生长提供一个良好的支架。但是直接使用细菌纤维素作为骨组织工程支架也有一定的缺陷。致密结构使得细胞难以张入材料内部,同时也使其在体内生物降解变得困难。有学者研究发现氧化后细菌纤维素结构变得相对疏松,降解速率明显提高。羟基磷灰石作为生物的骨的重要无机成分,能为材料提供较高的骨诱导性。本文研究生氧化后细菌纤维素/羟基磷灰石复合物材料的特性,探讨其作为骨组织工程修复的可能性。  方法:TEMPO/NaClO2/NaClO氧化体系被用来对细菌纤维素进行选择性氧化,来改善其致密结构和降解性能。以氧化缓冲溶剂的PH和氧化时间为变量,找出氧化后细菌纤维素羧基含量最高的反应条件。然后采用原位沉淀法合成不同质量比的氧化细菌纤维素/羟基磷灰石纳米复合物。通过采用FTIR,FESEM,EDS,XRD对复合材料进行表征分析,通过接触角,表面自由能,孔隙率,蛋白吸附试验和力学性能测试来比较分析复合物的特性。并通过细胞毒性的测试来评价细胞的体外生物相容性。  结果:细菌纤维素经TEMPO/NaClO2/NaClO体系氧化后,C6上的羟基被选择性氧化成为羧基。PH=6.86缓冲溶剂为最佳。氧化反应在10h后达到饱和,羧基含量基本上不再增加。FTIR显示C6上的羟基的伸缩峰消失,并出现了羧基峰。透射电镜表明氧化后细菌纤维素的主体结构没有被破坏,致密结构被改善。FTIR,SEM,XRD,EDS分析表明,原位沉淀法成功的制备了OBC-HA复合物,沉积在OBC表明的羟基磷灰石晶体为纳米直径,而且是属于钙不足的羟基磷灰石。接触角和表面自由能,反映了复合物的亲水性良好,而且复合物孔隙率都在90%以上,有利于细胞的黏附和骨沉积。添加羟基磷灰石晶体后复合物的理性力学性能和蛋白吸附能力都减弱。不同质量比来比较,质量比为0.25的复合物的力学性能和蛋白吸附能力最强。体外细胞毒性试验表明,复合物对成骨细胞无毒,而且对成骨细胞的生长繁殖没有影响。  结论:原位沉淀法合成的新型氧化细菌纤维素/羟基磷灰石复合物的基本特性能满足骨组织工程修复的需求,是一种有前景应用的骨修复材料。
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