杜仲多糖锶与聚醚醚酮复合材料的制备和生物功能研究

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研究背景及目的:聚醚醚酮(Polyether ether ketone,Peek)材料具有良好的化学稳定性、与骨骼接近的弹性模量、优异的机械强度,并且没有生物毒性,是目前骨科植入物的常用材料之一,但因其生物惰性不利于与周围骨组织结合,限制了它在临床中的应用。杜仲多糖锶(strontium Eucommia ulmoides polysaccharides,Eup-Sr)是一种新型的生物活性络合物,已被证明具有优越的骨免疫调节性能。为了改善Peek的生物相容性和生物功能,通过对Peek材料表面进行改性处理得到具有聚多巴胺功能表面的Peek材料(polydopamine-coated Polyether ether ketone,Dppeek)。本研究将Eup-Sr引入Dppeek材料表面制备出Eup-Sr/peek复合材料,分析Eup-Sr/peek复合材料的生物相容性及生物学功能,为改性的Peek材料作为新型理想骨科植入物研发及临床应用提供理论依据。研究方法:实验分为材料制备、表征分析与体外细胞实验三部分。首先进行杜仲多糖锶的制备和Peek聚多巴胺(Dppeek)功能表面的制备,然后将制备的杜仲多糖锶分别配制浓度为10μg/ml、50μg/ml、100μg/ml、500μg/ml的杜仲多糖锶溶液进行Dppeek功能表面的改性,最终得到杜仲多糖锶/聚醚醚酮(Eup-Sr/Peek)复合材料。分别将Peek、Dppeek、Eup-Sr/Peek进行扫描电子显微镜检测、X射线光电子能谱分析(XPS)、表面接触角检测。然后将Eup-Sr/peek与MC3T3-E1细胞进行共培养,通过MTT比色法检测细胞增殖情况,使用q RT-PCR检测成骨和炎性因子水平,利用碱性磷酸酶染色检测碱性磷酸酶活性。研究结果:实验将制备所得的Eup-Sr成功地整合到经过浓硫酸磺化处理、水浴加热、等离子体处理及聚多巴胺表面涂层的Dppeek上,获得了Eup-Sr/peek复合材料。与Peek组相比,Eup-Sr/peek和Dppeek材料表面在扫描电子显微镜下显示三维纳米网络结构,材料表面粗糙度增加;XPS显示,Eup-Sr/peek复合材料表面检测到Sr3p3、Sr3d5特征峰,表明Dppeek功能表面的化学成分发生明显变化,引入了新的化学元素锶;表面接触角检测结果显示,Eup-Sr/peek复合材料的表面相比Peek表面的亲水性大幅度提升(p<0.001);体外细胞实验部分,用MTT比色法在第2天检测细胞存活结果显示,Eup-Sr/peek复合材料各浓度组均展示出较好的促MC3T3-E1细胞增殖性能(p<0.001),第4天的结果显示低浓度的Eup-Sr/peek复合材料(10μg/ml、50μg/ml、100μg/ml)具有较好的促MC3T3-E1细胞增殖性能(p<0.001),高浓度的Eup-Sr/peek复合材料(500μg/ml)具有细胞毒性(p<0.001)。q RT-PCR结果显示,Eup-Sr/peek复合材料使ALP、Col1α1、RUNX2成骨基因表达明显上调(p<0.01),破骨基因CR表达明显下调(p<0.01),同时炎症基因IL-1β、IL-18表达明显下调(p<0.01)。碱性磷酸酶染色显示,与Peek组、Dppeek组相比,Eup-Sr/peek组的碱性磷酸酶活性表达最高。结论:本研究成功制备Eup-Sr及Dppeek,并且将Eup-Sr与Dppeek整合,制备Eup-Sr/peek新型材料。Eup-Sr/peek复合材料引入化学元素锶,具有三维纳米结构及良好的亲水性。Eup-Sr/peek复合材料具有较好的生物相容性、促成骨活性及抗炎活性,为改性Peek材料作为新型理想骨科植入物研发及临床应用提供实验基础参考。
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