离子掺杂羟基磷灰石/家蚕丝素复合膜的制备及其促成骨功效

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家蚕丝素蛋白(Silk Fibroin,SF,下称丝素蛋白),是一种生物相容性好,力学性能优异,易于降解的天然高分子材料,常被用于骨组织工程支架。其本身促成骨修复性能不强,但由于自身独特的β折叠结构,使其能够有效结合生长因子,增强丝素蛋白的成骨诱导性能。羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAp)是人体骨组织中的主要无机成分,具有良好的生物相容性、骨诱导性和骨传导性,在骨组织工程领域具有良好的应用前景。研究表明,HAp形貌、颗粒大小、形状等对其成骨性有很大影响。电化学沉积是一种氧化还原镀层技术,能够在涂层表面复现精细的多级有序结构。在电化学沉积的进程当中,通过改变电化学工艺以及电解液中各离子浓度,调控HAp的形貌并探索其促成骨功能是骨组织工程的研究热点之一。与此同时,微量金属元素在骨组织功能过程中起着重要作用,然而,其功效还没有得到重视,因此,非常有必要将其与与羟基磷灰石有效复合,发挥更好的骨组织修复功能。因此,本研究拟采用丝素蛋白作为基底材料,结合电化学沉积法,调控电化学工艺参数,在丝素膜表面沉积羟基磷灰石。本论文的研究内容以及相关结果如下:(1)掺离子羟基磷灰石丝素蛋白膜的制备通过条件探索,获得最优的电化学参数用于制备分布均匀、形貌稳定的羟基磷灰石丝素复合膜(SF-HAp)。在此基础上,通过改变电解液中Zn、Mg离子浓度,探讨电化学沉积过程中不同Zn离子和Mg离子浓度对沉积形貌的影响,获得比表面积大,形貌均一的掺离子羟基磷灰石丝素复合膜。研究结果表明,沉积层随掺杂离子浓度的升高,掺锌羟基磷灰石形貌由多孔花簇状向纳米颗粒状转变,掺镁羟基磷灰石由纳米球形颗粒向纳米乳突状颗粒沉积转变,颗粒尺寸随浓度的提高而增大。研究表明当矿化液离子摩尔浓度为Mg:Ca=1:4(SF-Mg-HAp)、Zn:Ca=1:10(SF-Zn-HAp)时分别能得到尺寸均一的纳米颗粒涂层,在最优浓度下将锌与镁同时掺杂羟基磷灰石(SF-Mg-Zn-HAp)则会形成泡沫糯米球形貌。(2)复合膜体外促成骨细胞增殖分化能力探究通过细胞培养检测掺离子羟基磷灰石丝素复合膜对骨髓间充质干细胞增殖及其促成骨分化的功能。CCK-8以及碱性磷酸酶(ALP)定量检测结果表明,制备所得的羟基磷灰石丝素膜可以有效促进人骨髓间充质干细胞增殖能力。并且,电化学掺杂Zn或Mg离子后显著增强了复合膜促进干细胞向成骨分化的能力,其中SF-Zn-HAp膜体外促成骨分化效果最好。(3)复合膜体内异位成骨性能探究通过体内实验中,将 SF,SF-HAp,SF-Mg-HAp,SF-Zn-HAp,SF-Mg-Zn-HAp膜分别植入大鼠皮下,8周后观察其异位成骨情况。实验结果表明,六组膜都表现出良好的生物相容性,并且单独掺杂锌离子和镁离子的SF-Zn-HAp和SF-Mg-HAp膜可以更好促进植入部位胶原纤维的聚集,表现出更高的成骨特性,其中SF-Zn-HAp膜骨修复效果最佳。本研究首次利用电化学法制备了丝素羟基磷灰石复合膜,并系统的探讨了电化学制备参数对羟基磷灰石形貌的影响。以此为基础,拓展制备了促良好骨组织增殖分化能力的掺离子羟基磷灰石丝素蛋白复合膜,使合成的羟基磷灰石结构与成份上更贴近人体骨组织结构,拓展了丝素在骨组织修复工程等领域的应用,为当前骨组织修复提供了新思路,具一定的理论意义和应用价值。
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