4D打印载药形状记忆多孔聚乳酸复合支架用于骨组织修复

来源 :哈尔滨商业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kiddmanwy
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骨缺损是临床治疗中常见的难题,主要由外伤、感染、肿瘤和各种先天性疾病引起。骨移植物作为临床治疗的常用方法,而传统的骨移植物来源有限,且通常伴随疾病传播和免疫反应。骨组织工程的出现为治疗骨缺损提供了一种新方法,使用聚合物材料代替了传统的移植物。基于聚合物材料的支架具有良好的生物相容性、机械性能和生物可降解性,而被广泛用于骨组织的修复。其中,具有形状记忆效应(SME)的智能聚合物材料会更好地用于骨骼组织工程的自适应修复。与传统材料相比,形状记忆聚合物(SMP)具有价格低、重量轻和玻璃化转变温度可调等优点。基于智能材料的3D打印技术被称为4D打印技术,4D打印将智能材料和增材制造技术结合起来,为骨组织工程精确治疗提供了一种新方法。加热是SMP最常见的驱动方法,但直接加热在某些特殊情况下应用受到限制。因此,SMP经常与一些功能性纳米粒子混合,例如磁铁粒子、碳纳米纤维和碳化硅,以实现在受到电或交变磁场的刺激时远程驱动来满足不同临床治疗骨缺损需求。本文根据天然骨组织结构设计了一种仿生骨修复支架,并应用3维建模技术成功构建骨修复支架模型。基于形状记忆聚乳酸(PLA)材料,成功通过4D打印技术分别制备了聚乳酸/Fe3O4(PLA/Fe3O4)和聚乳酸/Fe3O4/羟基磷灰石(PLA/Fe3O4/HA)形状记忆多孔支架,以及聚乳酸/Fe3O4/羟基磷灰石/阿仑膦酸钠(PLA/Fe3O4/HA/Aln)和聚乳酸/Fe3O4/羟基磷灰石/阿仑膦酸钠-胶原/地塞米松(PLA/Fe3O4/HA/Aln-Col/Dex)载药形状记忆多孔支架。应用傅里叶红外光谱(FITR)、差示扫描量热分析(DSC)、热重分析(TGA)、动态热机械性能分析(DMA)和静态力学性能分析对多孔支架的热力学性能进行了表征。对制备的载药多孔支架的Aln和Dex药物释放行为、形状记忆性能进行了测试。结果表明多孔支架均具有良好的热力学性能、药物释放行为、形状记忆性能,且固定率和回复率均在98%以上,可实现大尺寸变形。以L929小鼠成纤维细胞作为受试细胞,通过MTT法检测PLA/Fe3O4、PLA/Fe3O4/HA、PLA/Fe3O4/HA/Aln和PLA/Fe3O4/HA/Aln-Col/Dex多孔支架的细胞毒性。MTT结果表明,不同浓度的支架浸提液均不会产生细胞毒性,所制备的多孔支架具有良好的生物相容性。为验证PLA/Fe3O4、PLA/Fe3O4/HA、PLA/Fe3O4/HA/Aln和PLA/Fe3O4/HA/Aln-Col/Dex多孔支架对骨髓间充质干细胞(BMSCs)的增殖作用:通过MTT法和Hoechst33342荧光染色检测BMSCs的增殖情况、实时荧光定量PCR(q RT-PCR)研究成骨相关基因(ALP、OPN、OCN和RUNX2)表达情况。MTT实验结果表明,经过4D打印技术所制备的形状记忆多孔支架具有良好的增殖性能、可显著促进BMSCs的增殖。Hoechst 33342荧光染色显示,所制备的多孔支架均能提高BMSCs增殖数量。q RT-PCR实验表明本文所制备的多孔支架能不同程度促进成骨相关基因(ALP、OPN、OCN和RUNX2)的表达。为考察PLA/Fe3O4、PLA/Fe3O4/HA、PLA/Fe3O4/HA/Aln和PLA/Fe3O4/HA/Aln-Col/Dex多孔支架对兔腿骨缺损的修复能力,构建兔腿骨缺损模型,植入多孔支架1和3个月后,通过Micro-CT观察兔腿骨修复情况。Micro-CT结果显示,支架植入体内后,在外界交变磁场驱动下支架能完全自适应填充骨缺损部位,并在植入兔腿骨3个月时,多孔支架实现了不同程度的骨修复,其中PLA/Fe3O4/HA/Aln-Col/Dex支架组在第3个月时,已经修复了大部分的骨缺损,证明本文所制备的多孔支架具有良好的骨修复性能,为临床治疗骨缺损提供了新的方法。本文通过4D打印技术所制备的新型载药形状记忆多孔支架,将药物缓控释和快速释放体系与生物支架良好的结合起来。为新型聚合物释药体系和4D打印技术的联合应用治疗骨缺损提供了研究基础。该方法能根据患者不同情况实现个性化修复,为精准治疗和新型聚合物控制药物释放提供了新思路。
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