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研究背景和目的电信号存在于包括肌肉、神经和骨中的所有功能活动当中。研究人员已经发现骨组织和骨膜中存在着生理电位,并且当骨组织受损时,缺损处的生理电位会随之下降;当骨愈合时,因骨缺损引起的下降的生理电位又会恢复到原来的水平。这提示我们通过恢复缺损处电学微环境中下降的电位,能够促进骨的修复再生。压电材料是一类在发生形变时产生电信号的材料。因此利用压电材料这一特性,将其植入骨缺损处,仿生天然骨的电学微环境将会促进骨组织的修复和再生。聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))一类具有良好柔性和稳定性的压电材料。有大量的研究报道,其在促进骨缺损修复和成骨分化上有着促进作用。通过植入极化的P(VDF-TrFE)膜可以诱导干细胞成骨向分化。然而也同时有研究报道,P(VDF-TrFE)膜材料会降低成骨相关基因的表达。此外,具有不同压电性能的支架材料能够诱导间充质干细胞不同向的分化。因此我们推测,P(VDF-TrFE)携带的不同表面电势是导致上述不一致结果的原因。骨愈合是一个非常复杂的生理过程。压电材料的表面电势应当与骨组织修复所需的表面电势相匹配才能发挥促成骨修复的效果。然而,压电材料的电学特性与成骨效应之间的量效并没有的到广泛的关注。如何获得P(VDF-TrFE)膜的最佳电学性能以及用什么强度的电学刺激促进骨再生修复,还有待进一步研究。该研究的目的在于探讨不同电学性能P(VDF-TrFE)膜与其成骨效应之间的量效关系,为压电修复材料的优化和设计提供新的思路和理论基础。研究方法和材料(1)通过梯度退火温度(90-120℃)和电晕极化制备具有不同电学性能的P(VDF-TrFE)膜材料。(2)利用扫描电镜、X线衍射、红外光谱等对P(VDF-TrFE)不同处理下形貌和晶型进行分析。通过对其粗糙度、水接触角、力学性能等检测综合评价其不同处理下P(VDF-TrFE)膜材料的理化性能。(3)通过电滞回线、压电常数、表面电势的检测,综合分析材料的电学性能和电学性能与温度之间的关系。(4)将BMSCs接种于P(VDF-TrFE)膜材料上,利用CCK8和LDH检测,评价材料对细胞增殖和毒性的影响。通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜观察细胞在材料表面的形态。通过ALP活性分析、茜素红染色、免疫荧光、RT-PCR、Westernblot等方法评价不同电学材料的体外促成骨分化性能。通过ROS含量和线粒体膜电位的检测,探究不同电学性能与促成骨效应之间的机制。(5)构建大鼠颅骨缺损模型,应用不同电学性能P(VDF-TrFE)膜材料进行缺损修复。结合Micro-CT、HE染色、Masson染色,研究不同电学性能P(VDF-TrFE)膜与其促成骨效应之间的量效关系。研究结果(1)随着退火温度的升高(90-120℃),P(VDF-TrFE)膜的β相含量也逐渐增加。120℃退火时P(VDF-TrFE)膜具有最高的β相含量。(2)通过控制P(VDF-TrFE)膜的β相含量可以调控其电学性能。其中120℃退火处理的膜极化后,压电常数d33=20 p C N–1,表面电势平均为-78mv;而90℃退火处理的膜极化后,压电常数d33=10 p C N–1,表面电势平均为-53mv。(3)体外实验中,当压电常数d33=10 p C N–1,表面电势=-53mv时,P(VDF-TrFE)膜具有最好的促成骨分化能力。其上培养的BMSCs具有更低的ROS含量和更高的线粒体膜电位。不同电学性能P(VDF-TrFE)膜促成骨分化效果的区别,可能是通过影响线粒体而产生的。(4)体内实验中,压电常数d33=10 p C N–1,表面电势平均为-53mv的P(VDF-TrFE)膜能够更好的促进颅骨缺损修复。体外验证了P(VDF-TrFE)膜的电学性能与其促进骨再生效应之间存在量效关系。研究结论该研究通过退火处理,控制P(VDF-TrFE)膜的β相含量,制备出了具有不同电学性能的P(VDF-TrFE)膜。其中压电常数d33=10 p C N–1,表面电势平均为-53mv的P(VDF-TrFE)膜具有最好的诱导成骨分化和促进骨修复效果。证明了P(VDF-TrFE)膜的电学特性与成骨效应之间具有量效关系。初步发现了线粒体可能在电刺激促进成骨的机制中发挥关键作用。该研究为未来压电修复材料的优化设计和临床应用提供了新的思路和理论基础。