摘要: 骨组织工程为广大骨病患者提供了新的途径和希望。其中组织再生支架材料的设计是骨组织工程成功的关键，通常要求它满足一定的力学强度、可控的降解性能和合理的表面诱导细胞增殖分化及组织再生。然而，目前很少有材料能同时具备以上性能。本研究的目... 展开 骨组织工程为广大骨病患者提供了新的途径和希望。其中组织再生支架材料的设计是骨组织工程成功的关键，通常要求它满足一定的力学强度、可控的降解性能和合理的表面诱导细胞增殖分化及组织再生。然而，目前很少有材料能同时具备以上性能。本研究的目的是设计一种新型的骨组织工程材料，使其集可控降解性能、一定的力学强度、适当的亲水性能及可功能化的表面等性能于一身。基于PEG衍生物聚(乙二醇-co-均苯四甲酸酐)亚胺(PAPI)与D，L-丙交(D，L-LA)酯共聚，制备了一系性能可调的PAPI-PDLLA新型共聚物。采用核磁共振(NMR)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、凝胶色谱-十八角激光散射仪(GPC-MALLS)、紫外可见光谱仪(UV)、示差扫描量热仪(DSC)、X光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等对共聚物的化学物理性能进行了表征；详细考察了PAPI-PDLLA共聚物的亲/疏水性、体外生物降解性能、力学性能(拉伸性能和压缩性能)，以及降解过程中的力学性能变化；对PAPI-PDLLA共聚物的表面进行了氨基和羟基功能化研究；最后，评价了PAPI-PDLLA共聚物及表面功能化材料的体外细胞生物相容性。研究的主要内容和结论如下： 1.较低分子量的氨基封端的PEG(ATPEG，Mr：900)与均苯四甲酸酐(PMDA)通过高温缩聚反应合成出新型PEG衍生物P(ATPGE-co-PMDA)(PAPI)。在合成条件的优化实验中，考察了单体比例、温度、反应时间等对聚合物分子量的影响和反应过程中酰亚胺化的程度等；该衍生物通过苯酰亚胺环连接，酰亚胺环的引入为开环功能接枝提供了条件，研究了丁二胺、乙醇胺与PAPI中酰亚胺环反应的能力；对所有合成的材料结构进行了表征。 ①FTIR、1H NMR、13C NMR、GPC-MALLA和UV检测结果表明，ATPEG与PMDA成功聚合，ATPEG的微过量使得合成的PAPI端部具有氨基。当二者的摩尔比ATPEG/PMDA=1.05时，在设定的梯度高温温度下反应完成后，酰亚胺化基本完全，所获得的聚合物分子量较大，聚合物分散系数较低。热重分析表明PAPI相对于PEG的热稳定性增强。 ②FTIR表明，PAPI中酰亚胺环在室温无催化剂下成功与丁二胺和乙醇胺反应，可能为接枝功能基团提供反应位点。 ③在与丁二胺反应时，发生了交联，快速产生了凝胶，该凝胶具有一定的力学强度和多孔性，有望应用于药物释放或组织工程领域。 2.PAPI和辛酸亚锡共引发体系引发D，L-丙交酯开环，合成了一系列PAPI-PDLLA共聚物，研究了PAPI/D，L-丙交酯、反应温度、反应时间等对PAPI-PDLLA共聚物分子量的影响，并表征了其化学结构和热性能。 ①FTIR、1H NMR、13C NMR和GPC-MALLS的结果表明，PAPI的端氨基和辛酸亚锡共引发体系成功引发丙交酯开环，制备了PAPI-PDLLA共聚物，最佳反应时间为36小时，反应温度为150℃。 ②通过调节PAPI与D，L-丙交酯的物料比，可以制备一系列不同分子量和性能的共聚物，通过1H NMR计算了接枝的聚乳酸的量；随着PAPI/D，L-丙交酯比例的增加，接枝的聚乳酸分子量下降。 ③DSC结果表明，PAPI-PDLLA共聚物只有一个玻璃化转变温度，这表明两相热相容性良好，随着PAPI所占比例的增加，玻璃化温度下降。热重分析结果表明，PAPI-PDLLA出现两个明显分解温度，首先是PDLLA嵌段分解，然后是PAPI的分解，通过热重分析可以得出两嵌段的质量比。 3.研究了PAPI-PDLLA共聚物的亲/疏水性能和降解性能。亲/疏水性能采用材料表面静态水接触角和整体吸水率两种方法来评价；通过失重率、分子量变化、pH值变化和降解后样品表面形貌的变化等来评价材料的降解性能。 ①亲/疏水性能测试结果表明，PAPI-PDLLA共聚物的静态水接触角均小于PDLLA，吸水率都大于PDLLA，且随着共聚物中亲水嵌段PAPI比重的增加，亲水性能增加。 ②PAPI-PDLLA共聚物的体外降解实验表明，PAPI-PDLLA系列样品在降解前五周的失重、分子量下降及pH值变化相对于PDLLA对照组都要快些，但在整个降解过程中发现，PDLLA由于降解过程中酸性积累导致的自催化作用引起了陡降现象，而在PAPI-PDLLA系列材料中，降解速率较为可控，降解的失重率的自然对数与时间经拟合，发现符合假一级动力学模型Mnmolecular，没有陡降现象产生。这是由于亲水嵌段PAPI的引入，加速了降解的酸性小分子的扩散，没有导致材料明显的自催化降解作用。通过降解后的扫描电镜显示，PDLLA会产生局部不均匀降解，而PAPI-PDLLA共聚物的降解表面较为均一。因此，相对于PDLLA，材料的降解可控性能提高。 4.采用拉伸和压缩测试考察了材料的力学性能。结果表明，共聚物都具有一定的拉伸强度和压缩强度，并且强度随着PAPI/D，L-丙交酯的物料比减少而增加，而断裂伸长率随着PAPI/D，L-丙交酯的物料比的增加而显著增加。合成的共聚物拉伸模量在48-280MPa之间。压缩模量在108-780MPa之间，与松质骨的压缩模量较为匹配。随着材料的降解，材料的力学强度逐渐损失，且随着PAPI在共聚物中占的比重提高，力学损失加速，PAPD4/15(即PAPI-PDLLA中PAPI/D，L-LA=4/15)降解四周后，拉伸性能几乎全部损失，而PAPD4/25仅损失了20％左右。 5.采用湿法化学法，在PAPI-PDLLA共聚物膜表面引入了氨基和羟基，采用XPS、比色法、AFM等方法定性定量表征了材料表面接枝的氨基和羟基。在无催化剂、常温等反应条件下，在材料表面易引入氨基和羟基，这为后续的材料表面活性分子接枝提供了基础。PAPD4/15-BDA材料表面接枝的氨基密度达3.41×10-6mol/cm2。当接枝氨基和羟基后，材料表面相对于反应前变得粗糙。 6.采用大鼠乳鼠成骨细胞为种子细胞评价了PAPI及PAPI-PDLLA的细胞毒性。从成骨细胞形态、粘附、铺展、增殖、分化和矿化等几个方面系统的比较了PAPI-PDLLA及功能化表面与PDLLA的细胞相容性。 ①采用PAPI浸泡液及.PAPI和PAPI..PDI。LA降解可能产生的最大量的PMDA的浸泡液用于培养成骨细胞，发现成骨细胞在上述培养液中培养均体现正常形态，PAPI及含PMA的培养液并不影响细胞的形态与增殖，这说明了PAPI及PAPI-PDLLA无明显细胞毒性。 ②与PDLLA相比，适当的引入PAPI促进了成骨细胞的粘附与铺展，而过多的PAPI不利于细胞的粘附；功能化的PAPI-PDLLA膜表面也有利于细胞的粘附与铺展，氨基功能化的表面细胞粘附最为明显。 ③相对于PDLLA，适当PAPI含量的PAPI-PDLLA膜有利于细胞增殖，而氨基和羟基功能化的表面使细胞增殖更为显著。 ④成骨细胞在材料表面的分化和矿化能力采用碱性磷酸酶、无机钙分泌和胶原分泌等指标来衡量。结果表明，细胞在氨基功能化的PAPI-PDLLA膜表面的分化矿化能力略优于PAPI-PDLLA，而在PAPI-PDLLA膜上的分化矿化能力要优于PDLLA。 收起