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基于细菌纤维素增强的γ-聚谷氨酸/海藻酸钠双网络结构的骨软骨水凝胶支架的制备及性能的研究

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第1章 绪论

1.1 关节软骨的结构与功能

1.2 关节软骨的损伤及修复

1.3 软骨组织工程

1.3.1 种子细胞

1.3.2 支架材料

1.3.3 生长因子

1.4 水凝胶设计的关键因素

1.5 水凝胶材料

1.5.1 天然高分子水凝胶

1.5.2 合成高分子水凝胶

1.6 本论文的研究目的、意义及内容

1.6.1 研究目的及意义

1.6.2 研究内容

1.7 技术路线

第2章 骨软骨一体化水凝胶支架的仿生设计

2.1 引言

2.2 水凝胶支架的材料选择

2.3 水凝胶支架的性能设计

2.4 骨软骨一体化支架的结构仿生设计

2.5 一体化水凝胶支架的评价

2.6 本章小结

第3章 γ-聚谷氨酸/海藻酸钠双网络水凝胶的制备及性能表征

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 主要试剂和仪器

3.2.2 PGA单网络水凝胶的制备

3.2.3 PGA/SA双网络水凝胶的制备

3.2.4 力学性能测试

3.2.5 红外光谱表征

3.2.6 微观形貌表征

3.2.7 流变行为表征

3.2.8 溶胀性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 傅里叶变换红外(FT-IR)分析

3.3.2 水凝胶的微观形貌分析

3.3.3 水凝胶拉伸性能分析

3.3.4 水凝胶的压缩性能分析

3.3.5 水凝胶的粘弹性分析

3.3.6 水凝胶溶胀性能分析

3.4 本章小结

第四章 细菌纤维素(BC)增强PGA/SA双网络水凝胶的制备及性能表征

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 主要试剂和仪器

4.3.2 细菌纤维素的预处理

4.2.3 细菌纤维素增强PGA/SA双网络水凝胶的制备

4.2.4 羟基磷灰石的制备

4.2.5 双层水凝胶支架的制备

4.2.6 力学性能测试

4.2.7 红外光谱表征

4.2.8 微观形貌表征

4.2.9 流变行为表征

4.2.10 溶胀性能测试

4.2.11 细胞相容性测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 傅里叶变换红外(FT-IR)分析

4.3.2 BC增强水凝胶的粘弹性分析

4.3.3 BC增强水凝胶的压缩性能分析

4.3.4 双层水凝胶支架的结构分析

4.3.5 BC-DN水凝胶的溶胀性能分析

4.3.6 水凝胶细胞相容性分析

4.4 本章小结

第5章 细菌纤维素增强水凝胶支架用于骨软骨修复研究

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 主要仪器及材料

5.2.2 兔关节骨/软骨缺损模型建立

5.2.3 软骨修复的大体观察及评价

5.2.4 骨软骨修复的组织学观察及分析

5.2.5 Micro-CT观察

5.3 结果与讨论

5.3.1 骨软骨缺损修复大体观察及分析

5.3.2 组织学观察

5.2.3 骨软骨缺损修复的Micro-CT分析

5.4 本章小结

结论

展望

致谢

参考文献

简写附录

发表学术论文及申报专利情况

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摘要

关节软骨疾病是一种临床常见病。由于天然软骨代谢活动十分微弱,其自身的再生能力极其有限,目前的手术方法尚无法提供一个完全彻底的解决方法。天然大分子水凝胶通常具有良好的生物相容性,可生物降解性和较低的免疫反应,因此被广泛应用于软骨组织工程。虽然天然大分子水凝胶在促进软骨细胞生长及软骨基质沉积上有良好表现,但它们的机械性能不能满足软骨修复的要求。 在本研究中,将细菌纤维素(BC)引入γ-聚谷氨酸/海藻酸钠(PGA/SA)双网络水凝胶中以改善水凝胶的机械性能及控制水凝胶的溶胀率。为了整合骨组织和软骨组织,我们设计并制备了一种双层一体化水凝胶作为骨软骨支架。纳米羟基磷灰石被引入到骨支架中以促进支架和骨组织以及骨生成的整合,同时将微米羟基磷灰石引入到软骨支架中以促进肥大软骨细胞的生长和钙化软骨基质的沉积。同时,为了模拟骨组织和软骨组织的结构,我们采用了两种不同的孔隙结构用于双层水凝胶支架。 本研究内容及结果如下: 1)首先,我们制备得到了PGA/SA双网络水凝胶,并对其进行了表征。PGA/SA双网络水凝胶由两种网络组成:化学交联的PGA-Ly网络作为第一网络,离子交联的SA-Ca2+网络作为第二网络。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、万能试验机、旋转流变仪等对水凝胶的结构及性能进行分析。SEM下,冻干的水凝胶样品呈多孔结构。拉伸实验结果表明,PGA/SA双网络水凝胶具有很高的韧性,远优于PGA和SA单网络水凝胶。和PGA单网络水凝胶相比,PGA/SA双网络水凝胶压缩性能明显提升,溶胀率大大降低,都更加接近软骨水平。 2)然后,我们制备BC增强型PGA / SA双网凝胶和双层水凝胶,并对其进行表征。将BC引入到PGA/SA双网络结构中,水凝胶的压缩模量明显提升,溶胀率进一步减小。当BC浓度达0.75时,压缩模量达到0.322MPa,接近天然关节软骨水平,其含水量也和软骨接近。细菌纤维素的增强机制可以从FTIR和DMA的测试结果中得到解释,FTIR结果表明水凝胶中氢键作用明显增强,DMA结果证明细菌纤维素可以限制PGA和SA的分子链运动。SEM结果证明了该水凝胶支架的双层结构。 3)为了表征及分析水凝胶支架的生物学性能,我们用兔骨软骨缺损模型来评价水凝胶支架的生物学性能。结果表明双层一体化水凝胶支架有效地促进了骨软骨缺损的再生。组织学观察结果显示软骨缺损区域新生软骨组织与宿主组织界面整合良好,且颜色基本一致。Micro-CT 结果显示,软骨下骨缺损区域完全修复,新生骨组织的骨质致密,新生骨组织与周围宿主组织边界十分模糊,表明材料与骨形成较好的骨整合。

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