骨组织工程用SF/PCL复合纤维膜的制备和性能优化

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骨组织工程是一门利用生物材料支架修复和改善骨组织缺损的新兴学科。在骨组织工程当中,一个理想的支架能够模拟天然的细胞外基质(ECM),促进细胞的黏附和增殖。静电纺丝作为一种有效制备纳米级甚至微米级纤维支架的方法,被越来越广泛的应用于骨组织工程领域。本文以丝素蛋白(SF)和聚已内酯(PCL)作为静电纺纤维支架的材料,制备出了应用于骨组织工程领域的SF/PCL复合支架。在以甲酸(FA)为溶剂静电纺SF/PCL(50:50)的过程中,SF/PCL/FA的纺丝液在静置三个小时之后会出现明显的相分离现象,而且这种相分离现象会对静电纺丝的过程和纤维形貌以及结构的均匀性产生许多不利的影响。到目前为止,很少有研究报道这一细微而又非常重要的问题。基于此,本文对SF和PCL的相分离现象产生的原因和其对纺丝过程的影响做了深入的探讨。通过对不同条件下溶液相分离现象的观察,考察了相分离产生的过程以及不同的溶质比例对相分离的影响;通过扫描电子显微镜,傅立叶转换红外,热重分析,接触角测试,细胞的体外实验以及MTT细胞增殖测试对不同接收时间所得到的SF/PCL纳米纤维膜的形貌,组成成分和支架的生物学性能进行评估。结果表明,在共混的溶液体系中,当溶液中一种组分的含量高于30%的时候,纺丝液会在静置3 h之后发生明显的分层现象,且在放置较长时间后不会恢复;相分离会对纳米纤维的形貌和支架的组成成分造成很大影响,纤维膜的扫描电镜照片表明,在6-7 h接收到的纤维膜中会出现较为明显的纤维粘结,支架的红外光谱表明,在0-1 h接收得到的纤维膜中,各组分的含量与纺丝液中各组分的含量一致为50%,在2-3 h接收得到的纤维膜中,SF的含量为10%,当纺丝进行到6-7 h的时候,纤维膜中SF的含量为65%,纤维膜中SF和PCL含量的不同会对支架的热性能和亲水性能产生较大影响。以甲酸为溶剂的相分离所导致的纤维膜形貌和结构的不均匀性会使得纤维膜的生物学性能有很大的差别。为了改善这种相分离的现象,本文在SF/PCL的纺丝液中加入少量的乙酸(HAc),持续搅拌5 h后,可以看到溶液的相分离现象得到了很大的改善。通过扫描电镜,傅立叶转换红外,热重分析,细胞的体外实验以及MTT细胞增殖测试,考察了不同接收时间所得到SF/PCL纳米纤维膜的形貌,组成成分,以及生物学性能。结果表明所制备出的纳米纤维支架的形貌和结构较为均匀,且纤维的直径较细,平均直径为190±40nm,在不同时间接收得到的纤维膜中丝素和聚己内酯的含量并未发生变化,细胞体外实验和MTT细胞增殖测试表明,改性后支架的生物学性能也得到很大的改善。改性之后的SF/PCL复合纳米纤维支架由于孔径较小,不利于细胞的迁移支架内营养物质的输送,限制了其在骨组织工程中的应用。因此,优化SF/PCL纳米纤维支架的孔径,改善支架的性能是非常有必要的。本文设计了一系列的方法,对SF/PCL纳米纤维支架的孔径进行了优化。首先,通过改进实验装置制备出了具有较大孔径的微米纤维支架,然后通过微纳米对喷法,将微米纤维与纳米纤维相结合,制备出了 SF和PCL微纳米复合纤维支架,其中微米纤维能够给支架提供足够大的孔径,而纳米纤维能够模拟天然的细胞外基质,这些赋予了微纳米纤维支架许多优良的性能。最后通过改进纤维的接收方法,一步法在一张纤维膜上得到具有不同微米纤维和纳米纤维比例的微纳米复合纤维支架。通过扫描电镜,傅立叶转换红外,孔径测试,小鼠成骨细胞的体外实验以及MTT细胞增殖测试评估了微纳米纤维的表面形貌、组成成分、孔的性质以及具有不同孔径大小的微纳米纤维支架对细胞黏附和增殖的影响。结果表明,通过改进实验装置所得到的微米纤维,直径能达到10 μm左右,支架的孔径和直径呈正的相关性。通过改进纤维接收方法得到的微纳米纤维支架中,微米和纳米纤维的比例呈近似的线性变化,支架的孔径在2μm-30μm之间随着微米和纳米纤维的比例变化呈近似的梯度变化。成骨细胞的体外实验和MTT细胞增殖测试表明,当支架中微米纤维和纳米纤维的比例为83:17,孔径为7.6 μm的时候,细胞能够在支架内更好的迁移,且细胞在支架上生长较好,数量较多。通过改进的微纳米对喷方法得到的支架将能更好的应用于组织工程当中。
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