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蚕丝丝素纤维增强聚(ε-已内酯)复合材料的制备、表征与应用研究

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文摘

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上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 生物医用材料概述

1.2 骨修复材料

1.3 骨组织工程材料

1.3.1 组织工程概述

1.3.2 骨组织工程支架

1.3.3 骨组织工程的细胞源

1.3.4 骨组织工程中的生长因子

1.4 生物可降解高分子材料

1.4.1 生物可降解高分子材料概述

1.4.2 脂肪族类聚酯

1.4.3 聚己内酯的研究进展

1.5 天然纤维

1.5.1 天然纤维概述

1.5.2 蚕丝纤维的研究进展

1.6 本论文的研究目的与内容

1.6.1 本论文的研究目的

1.6.2 本论文的研究内容

1.7 参考文献

第二章 蚕丝丝素纤维增强聚(ε-己内酯)复合材料的制备、表征和电子束辐照处理

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 材料与仪器

2.2.2 SF/PCL复合材料的制备

2.2.3 SF/PCL,复合材料的表征

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 SF/PCL复合材料的结构和性能

2.3.2 不同辐照剂量对PCL和45SP复合材料结构和性能的影响

2.3.3 辐照处理前后不同纤维含量复合材料结构和性能的比较

2.4 本章小结

2.5 参考文献

第三章 蚕丝丝素纤维增强聚(ε-己内酯)复合材料多孔支架的制备与表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 材料与仪器

3.2.2 多孔支架的制备

3.2.3 多孔支架的表征

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 PCL多孔支架

3.3.2 SF/PCL复合材料多孔支架

3.4 本章小结

3.5 参考文献

第四章 蚕丝丝素纤维增强聚(ε己内酯)复合材料的生物学评价及细胞培养

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 材料与仪器

4.2.2 PCL和SF/PCL复合材料的生物学评价

4.2.3 犬骨髓间充质干细胞(BMSCs)在SF/PCL多孔支架中的培养

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 PCL和SF/PCL复合材料的生物学评价

4.3.2 BMSCs在SF/PCL复合材料多孔支架中的生物学行为

4.4 本章小结

4.5 参考文献

第五章 蚕丝丝素纤维增强聚(ε-己内酯)复合材料动物体内的降解性能及其在骨修复领域应用初探

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 材料与仪器

5.2.2 SF/PCL复合材料多孔支架的动物体内降解实验

5.2.3 SF/PCL复合材料用作犬肋骨骨折内固定材料的尝试

5.3 实验结果与讨论

5.3.1 SF/PCL复合材料多孔支架的动物体内降解性能

5.3.2 SF/PCL复合材料用作犬肋骨骨折内固定材料的尝试

5.4 本章小结

5.5 参考文献

第六章结论与创新

致谢

攻读博士学位期间的研究成果

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摘要

骨修复材料是生物医用材料的重要发展领域之一,其主要功能是修复骨组织缺损,恢复其正常生理机能。理想的骨修复材料应该具有良好的生物相容性,与修复部位相匹配的力学性能,可生物降解以及易于成型等特点。聚(ε-己内酯)(PCL)是一种具有良好的生物相容性的生物可降解高分子,但是较低的力学性能限制了其在骨修复材料方面的应用。蚕丝丝素纤维(SF)是一种天然的高性能多肽纤维,具有较好的弹性和良好的生物相容性。因此,用蚕丝丝素纤维增强聚己内酯制备成生物医用复合材料,在骨修复材料领域将会有广阔的应用前景。
   首先,本文研究了纤维含量和辐照处理对蚕丝丝素纤维增强聚己内酯(SF/PCL)复合材料结构和性能的影响。结果表明:SF的加入明显地提高了PCL的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量,SF/PCL复合材料的拉伸和弯曲强度分别在纤维含量为35%和45%时出现最大值。在0~300kGy的辐照剂量范围内,150kGy辐照处理后的SF/PCL复合材料有着最大的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量。经过辐照处理后,复合材料中PCL组分的玻璃化转变温度随着辐照剂量的增加而升高,PCL和SF都可以产生自由基,自由基之间的转移和反应增强了纤维和基体间的界面相互作用。
   其次,依据组织工程支架的设计原理,本文成功地制备了孔隙率可控并且孔洞连通的PCL以及SF/PCL复合材料多孔支架。多孔支架的孔隙率为40%~91%,内部孔洞由孔径为150μm~300μm的大孔和几个微米的小孔构成。SF的加入不仅提高了纯PCL多孔支架的抗压强度,而且还改善了其亲水性能,如35%的纤维含量使孔隙率为65%的PCL多孔支架的压缩强度提高了55%,与水接触1s后的接触角从疏水性的108°降低到亲水性的64°,并且使得到的SF/PCL复合材料多孔支架仍然保持着良好的可塑性。
   再者,本文通过细胞毒性试验、急性全身毒性试验、溶血试验、热原试验和皮肤致敏试验对材料进行生物学评价,结果表明PCL和SF/PCL复合材料均无明显细胞毒性,对骨髓间充质干细胞(BMSCs)的形态没有明显影响,不产生全身毒性反应和溶血反应,热原含量符合生物体要求,不存在潜在致敏性物质。在BMSCs和SF/PCL复合材料多孔支架复合培养的过程中,BMSCs能够顺利的贴附于多孔支架上,并且增殖活跃。
   SF/PCL复合材料多孔支架的体外降解速率快于其块体材料,而且PCL材料和SF/PCL复合材料多孔支架在家兔体内的降解速率均快于体外降解速率。SF的加入在一定程度上能够缓解PCL在降解过程中产生的局部酸性副作用,因此植入动物体内后,SF/PCL复合材料在保持了PCL良好组织相容性的基础上,引起的炎症反应更小,更有利于细胞的生长和组织修复。
   在上述工作的基础之上,本文以SF/PCL复合材料为原料,首创了一种新型的可生物降解、易于塑型的临床骨折内固定器件,用来修复肋骨骨折。该器件采用“爪”型的固定方法固定肋骨骨折,具有临床创伤小,固定快速等特点。在犬的肋骨固定模型实验中发现:植入15天后肋骨骨折处显现出良好的愈合趋向,6个月后骨折处基本愈合,术后的X射线观察不受影响。上述研究成果为SF/PCL复合材料在骨修复材料领域的进一步应用提供了理论和实验依据。

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