糖尿病骨修复用仿生骨膜的构建及性能研究

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目前糖尿病已经成为国内发病率最高的慢性疾病之一,由外伤、炎症等原因导致的糖尿病骨缺损人群也在不断增加,寻求适合糖尿病群体骨修复的材料已成为该领域面临的最棘手的问题之一。聚对二氧环已酮(Poly(para-dioxanone),PPDO)、聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)均可在体内完全降解,降解产物无毒,具有优良的强度和柔韧性;壳聚糖(Chitosan,CS)可调节体内p H值至弱碱性,提高胰岛素的利用率;毛蕊异黄酮葡萄糖苷(Calycosin-7-O-β-D-glucoside,CG)具有抗炎、促进骨再生和降血糖等作用;磷酸三钙(Tricalcium phosphate,β-TCP)中的Ca、P比与天然骨相似,使其具有优异的成骨性能。因此,本课题采用以上生物相容性较好的材料优势互补,通过静电纺丝及冷冻干燥的方式,制备出理想的无毒、生物可降解、力学性能优异的双层骨膜,为临床骨缺损修复提供新策略。首先,通过静电纺丝法制备PPDO纳米纤维膜,实验结果表明:十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate,SDS)的加入可显著降低纺丝液的表面张力,通过对纺丝参数的探究得出:在PPDO质量分数为29%,纺丝流速0.6m L/h,纺丝电压19k V,接收距离18cm的条件下制备的纳米纤维膜形态规整,纳米纤维平均直径为0.322μm。红外测试及比表面积分析表明,静电纺丝的成型方式显著增加了PPDO的比表面积,且未对其微观结构产生破坏,拉伸断裂实验表明纤维膜具有较好的力学性能,平均断裂应力达到15.85 MPa。其次,对降解不同周数的PPDO纳米纤维膜的性能进行了探究,结果表明:PPDO纳米纤维膜在降解6周后,表面溶蚀严重,纳米纤维产生粘结,质量损失达到15.56%,相对强度保持51.97%,断裂伸长率由96.05%降至69.09%,仍保持较好的力学性能。红外光谱及广角X射线衍射分析得出,降解初期,主要是水分子在无定形区的随机扩散,第3周开始发展为酯键的水解,水解产生羧基导致溶液的p H值由7.41降至7.27,在整个降解过程中,PPDO纳米纤维膜的结晶结构未发生变化,结晶度由51.75%提升至64.8%。然后,通过冷冻干燥方式制备了CS/PVA、CS/PVA/GA、CS/PVA/GA/β-TCP、CS/PVA/GA/β-TCP/CG复合海绵。所制备复合海绵大孔孔径介于110~240μm,孔壁上微孔孔径介于15~60μm,能够为细胞的增殖提供足够的空间,保证营养物质的传递。通过红外光谱及EDS分析可知,戊二醛的加入使复合海绵发生了双交联反应,显著提升其耐水及力学性能;β-TCP及CG的掺杂属于物理共混,均匀的分散在复合海绵中,掺杂后复合海绵的孔径、孔隙率及吸水率均有小幅度下降。所制备CS/PVA/GA/β-TCP/CG复合海绵具备缓释能力,CG添加量为10%的复合海绵在缓释168h后,累积释放率达到88%。最后,采用PPDO纳米纤维膜覆CS/PVA/GA、CS/PVA/GA/β-TCP、CS/PVA/GA/β-TCP/CG复合海绵制备出三种双层复合骨膜,对其性能研究结果显示:PPDO纳米纤维膜层与复合海绵层结合良好,纳米纤维直径均匀规整。覆膜后复合海绵的厚度及面密度均增加;三种复合骨膜的内外两侧均呈现亲水性;CCK8实验表明,三种复合骨膜均有良好的生物相容性及骨诱导性;经细胞染色及ALP成骨诱导分化检测,CS/PVA/GA/β-TCP/CG复合骨膜的细胞数量多于其他组,且细胞分布更均匀,表明β-TCP及CG的掺杂对BMSCs细胞在复合骨膜上粘附及增殖分化起到了正向促进的作用。
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