碱性磷酸酶调控壳聚糖支架矿化方法及复合支架的促骨性能研究

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骨组织修复与再生的关键问题是骨组织修复或替换材料与骨组织的适配性及体内矿化性能。本研究针对骨组织修复与再生对支架材料矿化性能的要求,利用“碱性磷酸酶(ALP)调控透析矿化”的方法制备了一种与天然骨组织的结构和组成相近的纳米羟基磷灰石/壳聚糖(n-HAP/CS)复合支架材料,并对其进行了初步的生物学评价。本研究以分级多孔的三维CS支架为基质材料,利用“ALP调控透析矿化”方法,制备了三维n-HAP/CS复合支架材料。主要创新点是:以ALP为调控酶,甘油磷酸钙(Ca-GP)和Ca Cl2为矿化过程中钙磷源,借助慢速、温和且深度的ALP调控透析矿化过程,制备了骨组织修复材料。研究结果表明矿化液中ALP、Ca-GP和Ca Cl2的浓度分别为0.4 mg/m L、95 mmol/L、64 mmol/L时,矿化48 h后,支架材料表面均匀的沉积了一层n-HAP颗粒,n-HAP/CS支架的压缩模量为4.38±0.31 MPa,与纯的CS支架(2.65±0.39 MPa)相比具有显著提高。为探究n-HAP/CS对细胞行为的影响及体内骨组织修复的可行性,本研究分别进行了n-HAP/CS的体内外生物学评价。体外研究结果表明前成骨细胞(MC3T3-E1)在n-HAP/CS上具有良好的粘附和增殖状态:培养12 h后在CS和n-HAP/CS(矿化24、48和72 h)上的粘附率分别为80.10±0.96%、81.50±1.03%、86.13±0.64%和87.25±0.59%。成骨基因检测分析也表明n-HAP/CS复合支架比CS支架能够更显著地促进MC3T3-E1向成骨细胞分化;体内研究结果表明植入n-HAP/CS复合支架模型组的新生骨量高达24.35±2.65%(8周)和54.32±3.41%(12周),而植入纯的CS支架新生骨量只有13.41±3.12%(8周)和26.68±4.22%(12周)。结果表明与纯的CS支架材料相比,n-HAP/CS在体内具有更强的促进骨组织再生的能力。为探讨n-HAP/CS对干细胞行为的影响及其复合体系在组织修复和再生中的适配性,本研究将人脐带间充质干细胞(h UCMSCs)与n-HAP/CS进行共培养,研究了n-HAP/CS对h UCMSCs行为的影响及其复合体系在腰椎缺损模型中的作用效果。结果表明h UCMSCs在n-HAP/CS复合支架上具有更好的增殖与粘附状态,培养7天后测定其ALP活性值CS组为13.52±1.41 U/g,n-HAP/CS组为20.72±1.12 U/g;培养14天后ALP活性值为14.65±1.02 U/g(CS),23.34±0.57 U/g(n-HAP/CS),n-HAP/CS表现出显著的促进干细胞向成骨分化的能力。体内研究结果表明n-HAP/CS复合支架具有促进骨组织再生以达到腰椎融合的能力,而n-HAP/CS/h UCMSCs复合体系不仅能够促进骨组织再生还在一定程度上有利于椎间盘纤维环的修复。生命体的组织和器官大多数具有液晶性,而当前针对液晶对矿化行为影响的研究却鲜有报道。为进一步模拟体内的矿化微环境,本论文创新性的对液晶态对矿化行为的影响进行了初步探究。通过胆甾醇油烯基碳酸酯(COC)和胆甾醇壬酸酯(CN)的二元共混制备了生理温度下处于液晶态的热致胆甾类液晶LC30和LC30/CS复合支架。随后,利用“ALP调控透析矿化”方法对其进行矿化,制备了n-HAP/LC30/CS(HLC)复合支架。初步研究结果表明当CN含量为30%,CN-COC的胆甾相液晶温度区间在29.50~49.40℃。LC30含量为40%时,LC30/CS支架材料液胆甾相液晶温度区间为27.81~44.60℃时,材料表面形成连续的液晶畴,支架材料整体上呈现液晶性。通过“ALP调控透析矿化”方法制备的HLC复合支架,表面覆盖的n-HAP颗粒与HC相比在结构和形态上存在一定的差别。
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