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天然组织中的细胞外基质主要由直径为50-500nm的三维网络胶原纤维构成,与组织、细胞的各项生理学行为密切相关。为取得更好的修复效果,组织工程中的支架材料的设计必须考虑对天然细胞外基质结构和功能进行模仿。遵照这一原则,本文设计并制备一类具有纳米纤维结构的多通道导管支架,并研究了聚合物的组成、结构与导管性能的关系。论文分为两部分:
(一)具有纳米纤维结构多通道导管的构建与性能
以可降解PLLA和PLGA(85/15,75/25)为原料,采用热致相分离(Thermallyinduced phase separation,TIPS)的原理,结合低压注射成型技术(Low-pressureinjection molding,LPIM),制备了三种不同显微结构的多通道导管支架。分别是(1)PLLA/THF体系,通过L-L热致相分离原理,制备了具有纳米纤维结构的PLLA多纵向通道导管支架;(2)PLLA/(Dioxane∶H2O=88∶12,v/v)体系,通过L-L热致相分离原理,制备出具有较大孔径(20~40μm),孔壁主要由纳米纤维组成的PLLA多纵向通道导管支架;(3)PLLA(or PLGA)/Dioxane体系,通过S-L热致相分离,制备出具有梯状孔结构的多纵向通道导管支架。系统研究了所构建的上述导管支架显微形貌、孔隙率、力学性能、蛋白吸附性能,以及它们在体外降解过程中质量、分子量、结晶性能、力学性能的变化规律,最后还考察了采用这类聚酯材料制备的导管支架在体外降解不同时间段的降解液对PC12细胞的毒性。结果显示:
(1)首次制备出同时具有多纵向通道(Φ外≈3 mm,通道数:7~16,Φ通道≈0.5mm)和纳米纤维微观结构PLLA导管支架,导管孔隙率可达93%,纳米纤维的直径在200~300 nm范围内;
(2)完全由均匀分布的纳米纤维组成的支架(PLLA/THF体系)表现出比其它导管2倍以上的蛋白吸附率和较快的降解速率。而具有微孔和纳米纤维孔壁的导管支架(PLLA/(Dioxane∶H2O=88∶12,v/v)体系)具有比其它导管3倍以上压缩模量和较高的蛋白吸附率;
(3)S-L相分离与低压注射相结合所制备的PLLA(PLGA85/15,75/25)多纵向通道导管,其微观结构主要由梯状孔结构组成,有序性随GA链段含量增加而降低,但力学强度却有所提高,蛋白吸附能力下降,降解速率明显加快。1H NMR分析显示,PLGA75/25共聚物中GA链段先于LA链段发生降解。
MTT实验显示,上述各类导管体外降解液均未表现出明显的细胞毒性。
(二)PCL-b-PLLA的合成及三维多孔纳米纤维支架制备
为解决采用纯PLLA制备的纳米纤维支架脆性较大和降解速率不易调控的问题,论文设计在聚合物链中引入较柔软的PCL链段。以PCL-OH为大分子引发剂,异辛酸亚锡为催化剂,采用本体开环聚合,合成了系列结构明确的两嵌段半晶质共聚物PCL-b-PLLA,并对其结构和结晶性能进行了表征。进一步研究了共聚物中两嵌段的比例和分子量对聚合物稀溶液的浊点(Tcloudy)和最高凝胶化转变临界温度(HGCT)、最低凝胶溶解临界温度(LSCT),以及形成纳米纤维支架时支架形貌、纳米纤维直径、支架孔隙率等的影响。结果表明:
(1)DSC结果显示:对于所合成的PCL-b-PLLA系列嵌段共聚物,两嵌段的结晶熔融温度与相应均聚物相比均有所下降,PCL链段的熔融结晶行为受PLLA链段的影响较大。
(2)在聚合物浓度1%~9%(wt/v)范围内,共聚物中PCL链段分子量一定时,Tcloudy、HGCT、LSCT均随PLLA链段分子量的增加而升高;而当共聚物分子量相当时,PCL链段分子量越大,Tcloudy和HGCT越低。
(3)以THF为溶剂,两类共聚物均能制备具有纳米纤维结构的多孔支架。共聚物中PLLA链段分子量比例越高,纳米纤维分布越均匀,反之,共聚物中PCL链段分子量越高,纳米纤维越容易聚集,甚至形成岛装结构。