氧化镁纳米粒子/聚ε-己内酯骨组织工程支架材料的制备及性能研究

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聚ε-己内酯(PCL)是一种聚酯类高分子材料,其具有良好的生物相容性、生物可降解性以及易于加工成型等特点,使得它广泛应用于组织工程领域。然而,PCL在组织工程的实际应用中还存在一些不足,如降解速度较慢、强度较低、缺乏生物活性等。近年来,镁及其氧化物引起了人们的极大关注。其中氧化镁(MgO)具有高机械强度、安全无毒、生物活性、良好的生物相容性、生物可降解性等特性,已广泛应用于抗菌剂、药物治疗、生物陶瓷等生物医学领域。  本文在PCL中加入MgO纳米粒子,以改善PCL的力学、降解、生物活性等性能。针对MgO纳米粒子易团聚、与PCL界面相容性差的问题,尝试通过几种创新的方式来解决,并系统研究不同MgO/PCL纳米复合材料的力学、降解、体外生物活性、细胞相容性等性能。根据这些性能的研究结果,最终将其应用于改善羟基磷灰石(HA)/PCL骨组织工程支架材料的性能,以期获得更为理想的骨组织工程支架材料。  首先,利用分子间氢键相互作用原理,选取富含羟基的聚乙烯醇(PVA)对MgO纳米粒子进行修饰,以改善MgO在PCL基体中的分散和界面粘附,进而提高PCL的力学性能。使用红外光谱与热重分析仪对修饰的MgO纳米粒子及其与PCL的复合材料进行了评价,结果表明:PVA被成功的修饰到了MgO纳米粒子表面;MgO纳米粒子、PVA、PCL三者之间存在氢键的相互作用。力学测试及SEM观察表明:相比MgO纳米粒子,MgO-PVA在PCL基体中有更好的分散以及界面粘附,从而使得MgO-PVA/PCL的力学性能优于MgO/PCL。然而,由于PVA与PCL的亲疏水性的巨大差异,使得力学性能总体上提高幅度较小。  其次,利用MgO纳米粒子表面的活性羟基基团,使用未修饰的MgO纳米粒子和乙二醇修饰的MgO纳米粒子(MgO-EG)引发ε-己内酯开环聚合,分别得到MgO-PCL、MgO-EG-PCL纳米粒子,并将它们与PCL复合。使用红外光谱、热重分析以及分散稳定性测试对修饰的MgO纳米粒子进行了评价,结果表明:PCL链被成功的接枝到MgO和MgO-EG纳米粒子表面上;PCL在MgO-EG纳米粒子表面的接枝率(11.13%)远大于在MgO表面的接枝率(3.95%);MgO-EG-PCL纳米粒子在氯仿中展现了最优异的分散性能,MgO-PCL次之,MgO最差。力学测试及SEM观察表明:MgO-EG-PCL纳米粒子在PCL基体中分散均匀、界面粘附情况最好,使得复合材料的力学性能最优,MgO-PCL/PCL次之,MgO/PCL则最差。体外降解实验表明MgO/PCL降解速度>MgO-PCL/PCL>MgO-EG-PCL/PCL>PCL,不同MgO纳米粒子的加入能够调控PCL的降解速度。SBF浸泡测试表明三种MgO/PCL复合材料均具有一定的体外生物活性,体外生物活性大小顺序为MgO-PCL/PCL>MgO/PCL>MgO-EG-PCL/PCL。细胞相容性实验表明三种MgO/PCL纳米复合材料均具有良好的细胞相容性,复合材料表面细胞活性大小顺序为MgO-PCL/PCL>MgO/PCL>MgO-EG-PCL/PCL>PCL。  随后,将MgO纳米粒子添加到广泛使用的HA/PCL骨组织工程支架材料中,研究MgO纳米粒子的加入对HA/PCL材料的表面、力学、降解、体外生物活性、生物学性能的影响。研究表明添加了MgO纳米粒子的复合材料展现了更高的粗糙度、更加亲水的性质、更好的力学性能以及更快的降解速度且降解速度可以通过MgO纳米粒子的含量进行调控。SBF浸泡测试表明含有MgO纳米粒子的复合材料均具有一定的体外生物活性,但引入的MgO纳米粒子却减弱了HA/PCL材料的生物活性。体外细胞培养实验表明引入MgO纳米粒子促进了材料表面MC3T3-E1细胞粘附和增殖,加强了细胞外基质矿化和ALP活性表达。  最后,分别在HA和MgO纳米粒子表面接枝PCL链,制备g-HA/g-MgO/PCL复合材料,进一步改善HA/MgO/PCL材料存在的力学性能不佳、降解速度过快、体外生物活性较弱等问题。由于g-HA、g-MgO纳米粒子在复合材料中的分散和界面粘附情况更好,使得材料的拉伸强度和断裂伸长率得到了大幅提高。体外降解实验表明纳米粒子接枝处理的方式,抑制了MgO纳米粒子的快速水解,延缓了HA/MgO/PCL材料的降解速度。SBF浸泡测试表明经接枝改性后,复合材料的体外生物活性大大提高,克服了MgO的引入造成的HA/PCL材料体外生物活性减弱的问题。此外,体外细胞培养实验表明g-HA/g-MgO/PCL材料提供了一个更加适合MC3T3-E1细胞粘附和增殖的表面环境,使得材料表面具有更好的细胞粘附和增殖,进而使得随后的分化表达标记更高。
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