抗炎型经编疝修补补片的设计及其性能研究

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随着社会日益老龄化,普外科常见病—疝气,正以每年新增2000万例患者的速度席卷全球,发病率高于任何一种恶性肿瘤。成人疝气无自愈可能,若不及时医治将会造成嵌顿甚至危及生命。目前,临床治疗疝气的唯一有效方式是通过无张力疝修补术植入补片达到补强缺损组织的效果。经编补片因其独有的纺织结构优势(轻质多孔、力学各向异性、柔韧服帖、可按需裁剪等)成为了疝修补领域最不可或缺的主流产品,临床需求巨大。尤其是聚丙烯(polypropylene,PP)经编补片已被临床较普遍使用。但PP经编补片在植入机体后会引发强烈且持久的宿主免疫反应,这种消极的炎症反应会导致过度的纤维化,由此引发术后并发症,并困扰着近1/3的患者。因此,构建降低炎症反应,同时兼顾组织缺损修复的抗炎经编疝修补补片,已成为当前医用纺织品领域关注的重点与难点。本学位论文分别以构建抗污层被动躲避免疫识别和引入仿生层实现良性免疫交流为抗炎策略,设计适配于PP经编补片的高效改性方法,探究抗炎补片对巨噬细胞免疫行为的影响规律,实现局部炎症缓解及其组织重塑的功效,具体研究内容如下:(1)从宿主免疫反应的诱发源头(非特异性蛋白吸附)入手,利用聚多巴胺(polydopamine,PDA)的高粘性,通过共沉积和分步沉积法,将磺基甜菜碱型两性离子聚合物(poly(sulfobetaine methacrylate),PSBMA)固定在PP单丝上,形成阻碍蛋白吸附的抗污壁垒,以降低巨噬细胞的激活;同时结合PDA链段中多酚基团的抗氧化性以达到协同抗炎的目的。通过探究PSBMA对PDA自身内聚组装及粘附行为的影响规律,优选分步沉积法作为构建抗炎涂层的最终策略。该法所构建的两层结构型涂层(PSBMA-PDA)未对补片的力学性能造成影响,同时可赋予补片更高的水合能力(水接触角为30.7o)、更低的蛋白吸附性(降低了82%BSA吸附)和更强的抗氧化性(初始值为2.25 m M Fe SO4/cm~2)。体外炎性反应结果表明,该抗炎补片无细胞毒性,可在急性炎性期内持续发挥作用,巨噬细胞的粘附、增殖与活化程度均显著低于其他补片,证实了其协同抗炎效果。(2)验证了构建抗污层被动躲避免疫识别的可行性后,基于该思路,延续“抗污型”协同抗炎涂层的两层结构设计,以单宁酸(tannic acid,TA)和Fe3+构成的金属-酚网络为中间粘合层(I),介导以聚(2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱-co-丙烯酸)-g-多巴胺(poly((2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine)-co-(acrylic acid))-g-dopamine,PMAD)为主体的抗污层(II)在PP经编补片表面进行构筑。通过考察补片表面TA-Fe3+配位体的动态组装过程获得了厚度及抗氧化性可控的I层;随后以酚间多重作用力为驱动,实现了II在I上的初始吸附和其离子侧链的“刷型”排布;最后通过芳氧基偶联反应引发的“拉链效应”,实现了I-II界面接枝和I内部交联,完成了PMAD-TA/Fe涂层在补片上的锚固。PMAD-TA/Fe凭借离子刷,抵抗了91.3%的蛋白吸附;此外,邻苯二酚的引入和抗污外层对酚羟基的保护提高了PMAD-TA/Fe的抗氧化性(4.64 m M Fe SO4/cm~2);通过对涂层前后PP经编补片的结构分析和弯曲刚度测试,发现PMAD-TA/Fe涂层保留了基材原始性能,且在16 N/cm循环拉伸和7天的体外静态降解下具有高稳定性和抗氧化耐久性。优异的功能性赋予了PMAD-TA/Fe-PP显著的体外协同抗炎效果,并最终在体内降低了炎症程度和39.0%的纤维沉积。(3)从建立PP经编补片与人体免疫系统间的良性交流入手,以天然糖胺聚糖—硫酸软骨素(chondroitin sulfate,CS)为主体成分在补片上构筑仿生表面。具有高免疫调节活性的CS可利用TA的多重氢键和氧化自聚合特性络合形成胶体粒子,随后通过氧化共沉积固定在PP补片上。通过对胶体粒子的尺寸、zeta电位和微观形貌的系统表征,发现TA和CS的质量比(mass ratio,MR)可影响TA和CS的组装行为,进而影响粒子结构,最终改变氧化共沉积物的形貌。当MR=5:1时,TA/CS胶体粒子的分子间作用力可达均衡,并得到规则成型的胶体粒子,进而得到“菊花形”颗粒的氧化沉积涂层(TC)。此外,TA和CS之间的多重氢键促进了TA的沉积,还保护了TA的一部分酚羟基免于过度氧化,使TC比单独TA氧化沉积涂层(OT)具有更高的抗氧化性(3.68 m M Fe SO4/cm~2)。TC涂层无损于PP经编补片的原始性能,并凭借仿生性和抗氧化性在体外表现出协同抗炎性能,具体表现在巨噬细胞粘附、增殖和活化程度显著降低。(4)为进一步促进PP经编补片与免疫系统的良性交流,从模拟细胞外基质天然成分及结构两方面共同入手,仍以CS为仿生成分,以明胶(gelatin,Gel)为仿生框架,经由TA交联在补片表面构建水凝胶基双仿生涂层。首先围绕水凝胶无法匹配经编补片性能的问题,提出了先在PP单丝上构建不粘结单丝和不堵塞网孔的预凝胶层(CG),再通过原位交联,得到锚固单丝型水凝胶涂层(filament-anchored hydrogel layer,FAHL)的构思。以TA交联得到的FAHL(CG/TA),不仅具有良好的抗氧化性(1.53 m M Fe SO4/cm~2),TA的氧化产物还可与CG分子发生迈克尔加成反应,二次加固FAHL。结果表明,FAHL不仅保有经编补片的结构优势,还可在模拟人体生理环境下保持结构完整性,至少可抵抗15天的体外静态降解,使得涂层和基材均能发挥各自性能。最终CG/TA-PP凭借仿生性和抗氧化性在体内外均表现出优越的协同抗炎性能,并降低了63.2%的纤维沉积,且促进了血管的正常再生。综上所述,本论文针对PP经编补片植入后诱发的多重并发症问题,以具有抗氧化性和高粘性的多酚类材料为介导构建了“抗污型”和“仿生型”协同抗炎涂层,获得了两种经编结构和力学顺应性保持完好的抗炎补片,并比较得出“仿生型”抗炎补片更具FBR调控优势。这种抗炎补片有望在植入后实现缺损部位的组织修复及长期存留,并可为其他植入类生物材料、药物递送载体和生物传感器等医疗器械的抗炎表面修饰提供一定的参考。
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