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壳聚糖仿生复合材料的制备及其初步生物学评价

王敏  
【摘要】: 骨缺损使骨折难以愈合并形成骨不连,是临床骨科和整形外科所面临的难题之一。常用的自体与异体骨移植方法均存在一系列并发症,采用人工生物材料治疗骨缺损是主要的发展方向。天然高分子材料壳聚糖具有安全无毒、无免疫原性,生物相容性和降解性良好的特点,因而受到了前所未有的重视和广泛探索。但由于壳聚糖分子间具有强烈的氢键作用,熔融温度在分解温度之上,不溶于水和一般溶剂,难以加工成既具有较高强度又有良好生物相容性的材料,严重限制了其在骨折和骨缺损治疗中的应用。为此,本研究采用原位沉析法分别制备壳聚糖/碳酸钙三维复合材料和壳聚糖/羟基磷灰石复合材料,并对其细胞相容性和对家兔桡骨骨缺损的修复能力进行评价,为壳聚糖复合材料的改性和临床应用提供实验依据。 方法: 以壳聚糖凝胶膜为模板,将含有Ca~(2+)的壳聚糖溶液与含有CO_3~(2-)的碱溶液用离子可渗透膜隔离,根据膜渗透原理,使膜内壳聚糖与碱液原位沉析,生成碳酸钙,制备碳酸钙/壳聚糖三维复合材料。采用交替原位沉积法在壳聚糖基质膜表面组装羟基磷灰石涂层制备壳聚糖/羟基磷灰石复合材料。分别采用电子显微镜、X射线分析仪等对两种材料的理化性质进行测定。在此基础上,采用MTT比色法和琼脂覆盖法观察材料对体外培养小鼠成纤维细胞(3T3)的相容性;采用家兔桡骨去骨膜骨缺损模型评价两种壳聚糖材料植入对骨的修复能力。 结果: 1.壳聚糖/碳酸钙复合材料中生成的碳酸钙以方解石型晶体存在,颗粒尺寸约为5~10μm,并且呈有序分布,它们以棒材的纵轴为中心,围绕中心呈环状分布。不同碳酸钙含量的复合棒材弯曲强度随碳酸钙含量的增大先上升后下降,在碳酸钙质量分数为10%时,弯曲强度达到最大值(约为113MPa),弯曲模量为2.6GPa。 2.壳聚糖/羟基磷灰石复合材料中羟基磷灰石涂层和上层颗粒均为多孔蜂窝状结构,孔径在2μm左右。羟基磷灰石含量随着沉积循环数增加而增加,到4个循环后沉积量达到饱和,最高含量为8.8%,形貌由开始的均一颗粒状转变为无规则的平板状。两种复合材料浸出液(10%-100%)对体外培养的3T3细胞的生长增殖无明显影响,无细胞溶解现象。 3.术后4周植入块颜色变红,周围有较多量的新生骨膜样组织包裹。骨痂进一步增多,向植入块内移行;术后8周,植入块周围有明显骨生成,将材料分隔包围,新骨中央区可见材料呈蜂窝状残留。术后12周缺损区大部分编织骨被成熟的板层骨组织替代,并形成髓腔。 结论: 1、通过原位沉析法成功制备壳聚糖/碳酸钙复合材料,通过生物矿化交替沉积法,能够在壳聚糖基质膜上构建羟基磷灰石涂层,该结构有利于细胞的粘附和生长。 2、可以通过控制沉积数来调控羟基磷灰石含量、形貌和力学强度以满足引导组织再生的需要。 3、壳聚糖/羟基磷灰石及壳聚糖/碳酸钙的浸提液无细胞毒性,有较好的生物相容性。 4、壳聚糖/羟基磷灰石及壳聚糖/碳酸钙材料对新西兰兔桡骨骨缺损模型的修复,与对照组相比有明显的促进和诱导作用,可以满足医用生物材料的应用要求。具有非常好的开发前景。


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