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天工大林佳弘/李婷婷課題組《Carbohyd. Polym.》:兩步法構(gòu)建分級孔隙結(jié)構(gòu)的殼聚糖-羥基磷灰石復(fù)合支架用于骨組織工程
2022-09-30  來源:高分子科技

  支架是骨組織工程的重要組成部分,其關(guān)鍵功能是在缺陷部位提供臨時(shí)的機(jī)械支撐,并為細(xì)胞生長提供合適的環(huán)境。隨著人工骨支架的深入研究,在滿足可降解性和生物相容性等基本要求的同時(shí),如何提升支架機(jī)械性能、賦予其骨誘導(dǎo)性同時(shí)構(gòu)建低密度多孔結(jié)構(gòu)成為骨支架研究的重點(diǎn)。基于此,天津工業(yè)大學(xué)李婷婷副教授與臺灣逢甲大學(xué)林佳弘特聘教授和臺灣亞洲大學(xué)樓靜文特聘教授合作, 在凹凸不平的PVA/PLA編帶表面采用超聲電沉積法制備羥基磷灰石涂層,擴(kuò)展了紡織結(jié)構(gòu)在骨組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用,取得了系列研究成果(Journal of Materials Science (2019);Materials Science and Engineering: C 105 (2019) 110062. Nanomaterials 9(5) (2019) 679.)基于前期研究成果,研究團(tuán)隊(duì)提出使用殼聚糖(CS)、聚乙烯醇(PVA)和聚乳酸(PLA)等材料,利用紡織結(jié)構(gòu)和冷凍干燥技術(shù)構(gòu)建出一種具有分級孔隙的芯-殼支架。并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)其性能,制備出一種既滿足力學(xué)性能要求,又擁有骨誘導(dǎo)能力,同時(shí)具備良好細(xì)胞相容性的可降解骨支架。以上研究成果以“Two-step strategy for constructing hierarchical pore structured chitosan–hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering”為題發(fā)表在期刊Carbohydrate Polymers上。

 


  文章通過生物可降解PVA/PLA復(fù)合紗線制成了中空的復(fù)合編帶,將CS溶液注入編帶,將編制結(jié)構(gòu)和冷凍干燥出的多孔海綿結(jié)構(gòu)結(jié)合,制備出一種芯-殼結(jié)構(gòu)的骨支架。用生物陶瓷HA混入CS中,通過改變其含量(0-2%),制備CS/HA-PVA/PLA編帶支架。通過低溫等離子體(CAP)處理,經(jīng)由兩步法獲得了分級孔隙骨支架。 


1 (1) CS / 1.0wt%HA-殼結(jié)構(gòu)凍干骨支架的芯部 SEM 圖和孔徑分析;(2) -殼結(jié)構(gòu)凍干骨支架表面 SEM 圖:(a)   CS(b) 0.5wt%HA(c)  1.0wt%HA(d) 2.0wt%HA


  芯部的殼聚糖和HA混合溶液在經(jīng)過冷凍干燥后,形成了高度互聯(lián)的多孔海綿,孔隙尺寸在20-300μm之間。HA濃度為1%時(shí),凍干的CS材料顯示出有序規(guī)整類似于魚骨形貌的多孔結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的聚合物材料可以誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞的生長。編帶表面包覆了由溶液形成的一層 CS/HA 生物活性膜,為支架提供了需要的骨引導(dǎo)能力和生物活性位點(diǎn)。 


2(a-c) 壓縮測試;(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,(b) 壓縮強(qiáng)度,(c) 壓縮模量


  CAP 處理前后純 CS 和 0.5wt%-HA 壓縮模量最大,主要是因?yàn)榇藵舛认拢静康?nbsp;CS 的孔徑最小最密集,胞壁均勻且含有的 HA 顆粒少,到壓縮更不容易變形。而 HA 濃度增加,芯部 CS 的孔徑變大,壓縮模量變小。同濃度的支架經(jīng)過 CAP 表面刻蝕形成的微米級通道,在壓力下相比較光滑纖維,也顯示出更高的壓縮模量。


圖3a-bCAP 處理前后骨支架浸泡 SBF 10 天后 SEM 圖:(a) CS(b) CS/1.0wt% HA ;(c) CSCAP);(d)  CS/1.0wt% HA(CAP


  在 CAP 處理和添加 HA 顆粒支架的表面析出HA晶體更多更均勻,形成了大且完整的 HA 晶球顆粒。表明分級孔隙結(jié)構(gòu)對于骨支架的體外礦化能力有良好的提升作用,小于10μm 的微孔擁有更高的粗糙度,可以為 HA 晶體的析出提供更好的形成環(huán)境



4 (1) 在支架上培養(yǎng) 3 天的 MC3T3-E1 細(xì)胞形態(tài)的 SEM 顯微照片:(a-c) CS / HA;(d-f) CS / HACAP );(2) 用 MTT 法檢測 MC3T3-E1 細(xì)胞在支架上 天和 天的存活率


  CAP 處理后多級孔隙結(jié)構(gòu)骨支架的細(xì)胞存活率顯著提高。天時(shí),CAP 處理后的 CS/1.0wt% HA 支架細(xì)胞存活率大幅上升至 277.6%,通過SEM觀察細(xì)胞形態(tài),表明在純 CS 支架上進(jìn)行生物陶瓷添加和等離子體處理可進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)胞粘附


  這些結(jié)果表明分級孔隙結(jié)構(gòu)成功改善了CS/HA 支架作為骨支架所需的各項(xiàng)性能,而這種兩步法來制備具有分級孔結(jié)構(gòu)的骨支架,其-結(jié)構(gòu)和等離子體處理的方法為骨支架的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。論文的第一作者為天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院李婷婷副教授,天津工業(yè)大學(xué)和臺灣逢甲大學(xué)的林佳弘特聘教授和臺灣亞洲大學(xué)的樓靜文特聘教授為論文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金和天津市自然科學(xué)基金的支持。


  論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.117765

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