可降解聚酯组织工程多孔支架的成型、表征及初步应用

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组织工程是应用工程学和生命科学的原理开发生物替代物以重建、修复或提高组织功能的一门交叉学科。组织工程的出现将使人们从传统的器官移植和植入这种以伤补伤的方法进入到器官制造的新时代。可生物降解的三维多孔支架的制备技术是组织工程领域的关键课题之一,支架需要具有高度孔隙率和相连通的孔结构以满足细胞黏附和生长、细胞外基质分泌和组织再生的需要。由于再生的组织形状受支架影响,因此多孔支架需要具有与所修复组织相似的几何外形。多孔支架的降解行为对细胞活性、细胞生长甚至母体响应均有影响。支架的其他性质,如力学性质、表面性质等都会影响支架本身的功能。因此,组织工程多孔支架是组织工程领域一个非常重要的研究方向,引起了许多研究者的注意。如何得到大规模、可重复生产的可降解多孔支架是当前组织工程支架技术研究的重要内容之一,探讨相关的复杂流体的高分子物理问题是其重要的基础理论课题之一。本博士论文在这两方面进行了尝试。在本博士论文中,通过开环聚合得到了可生物降解的聚酯(聚乳酸、聚乳酸-聚羟基乙酸),以聚酯/溶剂/粒子为原料通过常温模压/粒子溶出法和常温注塑/粒子溶出法制得了具有复杂外形的多孔支架;第一次对可生物降解聚酯/有机溶剂/无机盐粒子悬浮体系的流变行为进行了研究;探讨了多孔支架的性质,如孔隙率、孔结构、加工过程中的收缩行为和降解行为等;并通过合作研究进行了血管外套管和食管支架的初步的生物学实验。本博士论文的主要创新性贡献可以分为以下几个方面:1.作为组织工程支架加工体系的复杂悬浮体的流变学研究。可生物降解聚酯/可挥发性有机溶剂/无机盐粒子组成的悬浮体系是组织工程多孔支架加工领域中一个重要的体系。本文第一次对这一复杂体系的流变行为进行了研究。通过试验和分析发现采用硅油涂覆的同轴圆桶夹具是测量其流变行为的合适方法。悬浮体系在低剪切频率时是牛顿流体,高剪切频率时满足power-law关系,可以用Bird-Carreau模型拟合。悬浮体系的粘度随着粒子体积分率的增加而增大,增大的幅度比Einstein公式预测的大得多,暗示着粒子间相互作用或粒子结构的存在。稳态剪切初始阶段和动态剪切频率改变后的松弛实验显示出悬浮体系和溶液体系的不同,这些瞬态现象进一步确定了悬浮体系流变形态改变时粒子发生了重组。2.可降解聚酯组织工程多孔支架的常温模压制备方法。采用常温模压/粒子溶出(RTCM/PL)的方法制备了具有解剖外形(外耳、关节、管状、柱状)的聚酯三维多孔支架。支架具有连通的孔结构,孔隙率达到90%以上。常温模压在溶剂辅助下得以进行,对因此而带来的支架收缩问题进行了重点的研究,并得到了支架孔隙率和收缩率之间的数学关系。由于可以避免高温加工所带来的聚合物降解问题、避免高压设备的使用以及方便的制备具有复杂外形的支架,这一方法在组织工程多孔支架的加工领域有着良好的前景。3.可降解聚酯组织工程多孔支架的常温注塑成型制备方法。采用常温注塑/粒子溶出(RTIM/PL)的方法以聚酯/溶剂/粒子体系制备了组织工程三维多孔支架。体系的粘度和流动性能可以通过改变溶剂的含量来调节,使支架可以在常温下制备,避免了高温时聚合物的降解。用PLGA制备了管状和外耳状支架,支架具有连通的孔结构,孔隙率可以达到94%。4.可降解聚酯材料以及相关组织工程多孔支架的表征研究。以辛酸亚锡为催化剂通过开环聚合合成了可生物降解聚酯,聚乳酸(PLA)和聚乳酸-聚羟基乙酸(PLGA),采用GPC-特性粘度法测量了PLA和PLGA在25℃四氢呋喃溶液中的Mark-Houwink方程参数。考察了聚酯多孔支架不同温度下的降解行为,提出了一种降解速率的快速外推方法。测量了PBS缓冲液中、不同温度下聚酯多孔支架降解中特性粘数、重量损失和模量随时间的变化。通过测量多孔支架降解半衰期随温度的变化,验证了分子量的变化满足Arrhenius方程,计算得到了降解的活化能,表明聚乳酸类材料的降解可以采用升温外推的方法来缩短降解实验时间。5.有关自体静脉移植血管外套管和组织工程食管的探讨。熔融成型得到的PLGA外套管被用于自体静脉移植物的保护。研究了加工温度对PLGA外套管的影响。研究了PLGA外套管在37℃、PBS缓冲溶液中的降解行为。初步的动物(犬)实验说明PLGA外套管可以起到抑制静脉移植物内膜增生的作用。我们还进一步探讨了多孔的PLGA管状支架在组织工程食管支架中的应用,并进行了体外和初步的犬的体内实验。犬食管的组织工程重建实验说明采用常温注塑/粒子溶出方法得到的多孔支架在组织工程食管重建领域有着良好的效果。
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