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组织和器官的丧失或功能性障碍一直是人类健康的主要威胁之一,如何从根本上治疗组织和器官丧失或功能性障碍也一直是医学研究人员面临的一大难题。组织工程学克服了传统治疗方法中诸如供体缺乏,组织不相容和免疫排斥等一系列问题,研究开发用于替代或修复人体各种缺损组织或器官的生物替代物,成为研究的主要方向之一。
作为组织工程三要素之一,组织工程支架能为细胞提供一个生存的三维空间,有利于细胞获得充足的养分,进行营养物质的交换,并且能排除废物,使细胞按照预先设计的三维形状生长与分化,形成细胞与三维支架的活性复合体。然而,由于较高的性能要求,理想的适合产品化的组织工程支架仍有待于进一步的研究。
我国蚕丝资源丰富。蚕丝手术缝合线是最早被用于临床的天然高分子生物材料之一。丝素蛋白是经蚕丝脱胶后得到的天然高分子纤维蛋白,作为一种生物支架材料,其无毒无刺激,可降解,生物相容性和力学性能优良,易于进行化学修饰,有利于细胞附着和生长。然而,由于丝素蛋白细胞支架难以加工成型、降解性能缓慢等缺点严重阻碍了对其利用。因此,对该领域的研究既充满前景又富有挑战。
此外,随着组织工程学的深入,面对各种组织不同的生长周期,面对不同组织生长对于支架材料的机械性能要求的差异,根据实际情况对支架的降解时间和机械性能进行调控以拓宽其应用领域显得极其必要。海藻酸来源丰富,价格低廉,生物相容性优良,降解时间较短。利用复合材料性能互补的原理,通过对丝素和海藻酸复合比例的调控,极有可能制备出降解性能可控的丝素支架,然而相关研究却极少见诸报道。
在前期研究中,我们制备出一种新型的丝素细胞支架材料,具有良好的多孔结构和细胞相容性。为了更清楚和直观地了解丝素支架的降解全过程及其对周围组织的影响,并了解更多不同丝素支架的降解过程,同时为调控降解研究提供必要的依据,本实验将该新型丝素支架材料植入兔耳皮下进行了体内降解研究。每周进行观察,并分别在4周,12周,20周和28周时利用肉眼外观察、组织切片观察和扫描电镜观察的方法对该材料的降解规律以及生物相容性作了详细评价。实验结果表明,该丝素支架材料引起的组织反应较弱,植入动物体内28周后基本降解完全,是一种生物相容性优良的可降解吸收性材料。相比之下丝素膜28周后仍无明显降解,降解速度十分缓慢。
为调控丝素材料降解性能,在进一步的研究中,我们利用冷冻干燥法开发出一种新型的丝素/海藻酸钙(SF/CA)复合三维支架材料,并对其机械性能、孔结构、二级结构和热稳定性进行研究。弹性膜量、断裂强度和断裂伸长率分析表明,CA的加入有利于材料机械性能的提高;SF/CA=92:8时,材料的机械性能最佳;CA比例过高或过低都不利于材料机械性能的提高。对材料的多孔结构分析发现,在SF/CA=92:8这一临界值以下时,CA复合比例的提高使得孔结构的排列更为均匀,孔径趋于增大,孔隙率降低。红外光谱分析表明,在本实验的混合比例下,CA对SF的二级结构影响不大。DSC分析显示,随着CA复合比例的提高,材料的热分解吸收峰升高,分子结合程度增加。过量的CA影响SF分子的排列,导致吸收峰降低,这同机械性能及孔结构分析结果相吻合。
总之,在对丝素材料的降解规律进行研究的基础上,本研究制备了一种新型的SF/CA复合材料,其机械性能优良,有望成为一种新型的组织工程支架。