背景:组织工程(tissue engineering)是一个综合性的学科领域,通过细胞生物学和材料学相结合,突破传统的器官移植和生物材料移植的一些限制,开发人造器官和组织的替代品如肌肉、骨骼、软骨、腱、人工血管和皮肤;生物人工器官的开发,如人工心脏、肝脏、肾脏等,来替代或修复受损组织,最终形成具有三维结构的器官或组织,并且不需辅助治疗。这不仅可以提高治愈率,而且可以大大降低治疗成本。支架材料则是组织工程中重要的组成部分,在众多不同种类组织支架材料当中,气凝胶材料逐渐被人们了解熟识,并慢慢在生物医学领域开始应用,纤维素气凝胶,则以自然界中分布最为广泛、既可再生又可生物降解的天然高分子纤维素为原料制备而成,是一种新型的含有纤维结构轻质功能支架材料,具备传统无机粒子型气凝胶特性的同时兼具了纤维结构的独特优势,由于同时拥有天然高分子与高孔隙率的纳米材料的多项优点,且相较于无机气凝胶其具有强度高、韧性好、便于加工等特点。在催化剂负载、吸音隔热材料以及医用生物材料等领域具有潜在的巨大应用价值。被誉为继无机气凝胶和合成聚合物气凝胶之后的新一代气凝胶。壳聚糖作为自然界中唯一的碱性多糖,由甲壳素脱乙酰基产生。属于天然的高分子化合物,具有低抗原性、可生物降解性、良好的生物相容性及降解产物安全无毒,被广泛应用于组织工程支架材料之中。本实验将以纤维素气凝胶混合壳聚糖制备一种新型的支架材料,分析其表面形貌、化学态、元素分布情况及孔隙结构;同时对材料的力学性能、降解性、亲水性进行了研究;在生物相容性等方面对其进行体外研究,探讨了气凝胶材料的细胞毒性和不同浓度壳聚糖复合气凝胶的支架对MC3T3-E1细胞的增殖的影响,为进一步研究气凝胶在组织工程支架材料上提供新的思路。方法:采用液滴-悬浮凝胶成型法(suspension gelation)分别制备浓度为3%、5%纤维素气凝胶(cellulose aerogel CA)和以3%纤维素为基底混合壳聚糖溶液制备出纤维素壳聚糖复合气凝胶(cellulose/chitosan aerogel CCA),其中壳聚糖溶液的质量占混合溶液总质量的20%,40%和60%。并通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X电子能谱(XPS)和比表面积孔隙测定仪(BET)等检测途径对气凝胶材料的结构、化学性质、元素表面分布以及孔隙结构进行了测定;利用万能试验机对材料压缩力学性能进行测定;通过测量材料质量失重率及吸水率评价材料降解和亲水情况;通过材料的细胞毒性检测从而评估其生物相容性;采用体外培养细胞的方法,将MC3T3-E1细胞接种在气凝胶支架材料上,培养1、3、5d,通过MTT法检测MC3T3-E1细胞在材料表面增殖情况。结果:1.纤维素气凝胶及其复合材料的制备:通过液滴-悬浮凝胶成型法,可见制备出的壳聚糖/纤维素复合气凝胶具有较为均匀一致的圆柱结构;在SEM电镜下可观察到CA表面表现出片状层状聚集状态且其中网络孔隙较为疏松,3%CA的孔隙比5%CA的孔隙略大,且更疏松;CCA明显可见网络中包裹壳聚糖分子,壳聚糖溶液浓度越高,包裹的壳聚糖越多,同时孔隙越小。2.BET结果显示3%CA、5%CA、20%CCA、40%CCA和60%CCA的平均孔径分别为17.63 nm、14.72 nm、13.46 nm、20.87 nm、15.49 nm;比表面积分别为12.67m~2/g、8.85 m~2/g、14.83 m~2/g、13.23 m~2/g和12.58 m~2/g;FT-IR结果显示壳聚糖分子成功引入到CA材料中没有发生化学反应;XPS分析材料元素含量结果显示随着壳聚糖含量增加,氮元素含量增加。3.通过万能试验机进行压缩强度测试:材料中纤维素浓度越大,材料压缩承受力越强;材料中的壳聚糖含量越多,开始阶段压缩承受力逐渐减弱,在后期趋于平缓;质量失重率实验结果显示在PBS溶液中浸泡30d后CCA失重率高于CA,且随着壳聚糖含量增加,失重率增加;吸水率实验结果显示材料具有良好的吸水率,随着壳聚糖含量的增加吸水率增加。4.细胞毒性:5%CA和20%CCA的浸提液细胞毒性为0级,3%CA、40%CCA和60%CCA细胞毒性均为1级,与空白对照组相比气凝胶材料浸提液组无明显差异(P>0.05)5.细胞增殖:MTT检测结果表明,同对照组相比气凝胶材料均对MC3T3-E1细胞的增殖有不同程度的促进作用(P<0.05),其中40%CCA的促进作用明显优于其他组(P<0.01)。结论:1.在液滴-悬浮凝胶成型法的条件下成功制备出的纤维素气凝胶材料及纤维素壳聚糖复合气凝胶材料,该气凝胶材料有着极丰富的纳米孔隙结构和极轻表观密度。气凝胶的制备属物理凝胶过程,其内部的纤维素分子和壳聚糖分子通过氢键聚合缠绕在-起,未发生化学交联反应,壳聚糖成功引入到CA基体中的整个过程尚未观察到化学变化的产生。2.5组材料有一定力学强度,在CA里引入壳聚糖能够提高材料的降解速度和亲水性。随着壳聚糖含量的增加,亲水性提高,有利于在孔隙中基质间营养的扩散及有关介质的交换。3.细胞毒性结果显示5%CA和20%CCA的浸提液细胞毒性为0级,3%CA、40%CCA和60%CCA细胞毒性均为1级,均在安全范围内;能够满足细胞增殖的要求。说明气凝胶支架材料具有良好的生物相容性。4.MC3T3-El细胞在CCA支架上的增殖效果优于CA支架,其中40%CCA增殖效果最佳,表明CCA在组织工程支架材料的应用有一定可行性。