可生物降解复合纳米纤维对提高物理交联型水凝胶支架机械性能的影响

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水凝胶基的组织工程支架在材料科学与生物医学工程领域受到越来越多的关注,一方面是因为它具有与细胞外基质相近的多孔网络结构,另一方面是因为在凝胶化过程中可以搭载药物、酶、多肽、生长因子等功能化小分子物质。但传统水凝胶或某些特定功能化的水凝胶因为力学性能不好或者细胞行为活动受到抑制而无法具有良好应用前景,纤维增强型水凝胶作为一种复合材料,利用纤维作为增强相改善性质上的不足。本论文探索了将可生物降解的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)/聚己内酯(PCL)/明胶(GEL)电纺纳米纤维分别与海藻酸钠(ALG)/壳聚糖(CS)聚电解质复合物型水凝胶、聚乙烯醇(PVA)冷冻-解冻物理交联型水凝胶相结合,制备两种纳米纤维增强型水凝胶支架。对水凝胶支架的理化性能及生物性能研究:首先,利用电纺将具有不同降解速率和不同机械性能的PLGA与PCL结合,并添加GEL改善纤维的生物相容性及功能化。随着PLGA含量增加,纤维直径逐渐减小,最小为600μm。拉伸测试显示出PLGA含量的增加能够提升纤维的模量和拉伸强度,同时适当添加PCL可以增加纤维的断裂伸长率。随着PLGA含量增加,纤维降解速率加快,降解后期,PLGA含量越高,纤维形貌越模糊。然后,探索了PLGA/PCL/GEL纳米纤维对于ALG/CS聚电解质复合物型水凝胶的增强作用。利用分散后的短纳米纤维和单宁酸(TA)氢键交联方式制备了CS/ALG/PPG/TA水凝胶支架(CATPPG)。微观形貌显示纳米纤维被包裹于片层网络中或在相邻聚电解质网络之间起连接作用,大量氢键的形成使纤维与聚电解质网络结构稳定;添加0.3 g PPG的CAT0.3拥有最高的吸水溶胀率(~3800%),这与CAT0.3的孔隙率(96.0%)和孔径(40.82μm)最大有关。同时,添加纤维支架组的力学性能相较于对照组CA有所提升,CAT0.9的压缩模量达到665 KPa,最大压缩应力达到342 KPa,最大压缩应力提高了53%。在压缩循环过程中,添加纤维支架组的塑性变形程度和应力损耗程度都更低,说明纤维作为增强相提升了水凝胶网络的强度。CCK-8细胞增值实验显示CAT0.3的增值情况最好。通过大鼠皮下埋植发现在1周时出现急性炎症期,而4周后炎症反应基本消失。同时,为了改善PVA水凝胶细胞黏附差的能力,将分散后的PLGA/PCL/GEL短纳米纤维与PVA、胶原(COL)混合,通过冷冻-解冻循环法制备了PVA/COL/PPG水凝胶支架(PCPPG)。纳米纤维分布于水凝胶网络中,使网络结构更加致密。氢键和新的酰胺键因为交联过程而生成,水凝胶的热稳定性也由此提高。PCPPG的孔隙率和平均孔径小于CATPPG,而孔洞面积反而更大,也证明其结构更加致密。PC0.6的吸水溶胀性能最好,而四组支架的含水率没有太大差异。随着PPG含量的增加,压缩强度提升明显,PC0.9的平均压缩强度达到0.6 MPa,同时,纤维掺入使得循环过程中的最大压缩应力损失减小,从39.88%下降到23.61%,说明纤维能够提升循环过程中维持力学稳定的能力。细胞活性检测显示PC0.6和PC0.9中有更多的细胞黏附在支架上,改善了细胞黏附差的问题。大鼠皮下埋植4周结果显示基本无炎症反应。
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