聚(L-丙交酯-co-己内酯)生物材料的制备与性能研究

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聚L-乳酸(PLLA)是一种重要的生物材料,但质硬而韧性较差,体内降解速率慢,限制了它在组织工程方面的应用。通过L-丙交酯与其他单体共聚制得聚乳酸共聚物材料,可改善PLLA材料的亲水性、结晶性、药物通透性、力学性能、加工性能及降解性能等,可以满足不同组织工程支架材料的要求。   本文将L-丙交酯和ε-己内酯进行开环聚合,通过优化条件,首次制备了具有高分子量的3种不同的聚(L-丙交酯-co-己内酯)(P(LLA-CL))无规共聚物。采用纤维取向模压成型,制得了具有较高力学强度的P(LLA-CL)材料,对3种P(LLA-CL)材料中己内酯含量与材料性能之间的关系进行了研究。首次对P(LLA-CL)85/15、P(LLA-CL)75/25和P(LLA-CL)65/35三种材料的体外降解行为进行了系统研究。提出了改进的常温模压/粒子沥滤法构建三维多孔支架的新技术,采用该方法制备了P(LLA-CL)75/25多孔泡沫支架和多孔导管支架,对它们的体外降解性能进行了研究,并将多孔泡沫支架用于人脂肪间充质干细胞(adipose mesenchymal stem cells,AMSCs)诱导成软骨细胞的体内、体外试验研究,将多孔导管支架用于大鼠坐骨神经修复的研究,进行了生物学评价。   以L-乳酸和ε-己内酯为原料,采用L-丙交酯与ε-己内酯在辛酸亚锡(Sn(oct)2)催化下开环共聚,首次制备了高分子量的P(LLA-CL)85/15、P(LLA-CL)75/25和P(LLA-CL)65/35无规共聚物。制备P(LLA-CL)85/15的最佳工艺条件为:聚合管内压强小于0.5 Pa,聚合温度130℃,n(M)/n(I)比值为8000/1,聚合时间为36h,该条件下制备的P(LLA-CL)5/15重均分子量达65.6×104,分子量分布系数为1.15。制备P(LLA-CL)75/25的最佳工艺条件为:聚合管内压强小于0.5 Pa,聚合温度125℃,n(M)/n(I)比值为8000/1,聚合时间为36h,该条件下制备的P(LLA-CL)75/25重均分子量达45.3×104,分子量分布系数为1.24。制备P(LLA-CL)65/35的最佳工艺条件为:聚合管内压强小于0.5 Pa,聚合温度120℃,n(M)/n(I)比值为6000/1,聚合时间为48h,该条件下制备的P(LLA-CL)65/35重均分子量达32.6×104,分子量分布系数为1.40。   采用溶液沉析纺丝技术,发展了新的溶液纺丝纤维模压制备P(LLA-CL)材料的新技术,即根据高分子链在溶液中存在的状态,采用溶液沉析纺丝制备P(LLA-CL)纤维,采用纤维取向模压技术制备了高强度的P(LLA-CL)85/15、P(LLA-CL)75/25和P(LLA-CL)65/35条状材料。其力学强度远大于熔融模压法制备的P(LLA-CL)材料的力学强度,而且在加工过程中分子量的降解少。3种P(LLA-CL)材料都是部分结晶的,在分子量相同时,P(LLA-CL)85/15、P(LLA-CL)75/25和P(LLA-CL)65/35的力学强度、结晶度、玻璃化温度和熔融温度随着己内酯含量的增加而降低。   首次对P(LLA-CL)85/15、P(LLA-CL)75/25和P(LLA-CL)65/35条状材料在PBS溶液中的体外降解行为进行了系统研究。3种P(LLA-CL)材料在磷酸缓冲溶液(phosphate buffer solution,PBS)降解过程中,降解初期,分子量下降不明显,抗弯强度和抗弯模量下降较小,随着降解的进行,下降的速率都逐渐加快;而P(LLA-CL)材料的剪切强度对水的软化比较敏感,在降解过程中呈现出先快后慢的下降趋势;在降解过程中,聚合物分子量分布逐渐变宽;在降解过程中,材料的失重率逐渐增加;随着降解的进行,3种P(LLA-CL)材料的结晶度都增大,30周时结晶度降低不明显。3种P(LLA-CL)材料在PBS溶液降解过程中,随着CL含量的增加,降解速率加快。   通过对P(LLA-CL)85/15、P(LLA-CL)75/25和P(LLA-CL)65/35条状材料在PBS溶液中的降解行为研究,首次提出P(LLA-CL)条状材料在体外的宏观降解机理是属于表面降解。部分结晶的P(LLA-CL)材料的水解降解,首先发生在无定形区,随着降解的进行,材料的结晶区也开始逐渐降解。   提出了改进的常温模压/粒子沥滤法制备多孔聚合物支架的新技术。采用改进的常温模压/粒子沥滤法制备的P(LLA-CL)多孔泡沫支架孔隙率高达93%,大孔多,很好地分布着相互连通的、开放的孔墙结构。改进的常温模压/粒子沥滤法操作简单,脱模容易,制作支架所用时间大大缩短。孔结构可以通过控制NaHCO3/Na2CO3粒子的尺寸和质量百分比来控制,制作方法具有可重复性。   对P(LLA-CL)75/25多孔支架材料在PBS溶液中的体外降解行为进行了研究。P(LLA-CL)75/25多孔泡沫支架的重量在降解初期基本不变,12周后才开始出现明显减小,随着降解的进行,P(LLA-CL)支架失重的速率逐渐增大;在整个降解过程中,多孔支架表现出典型的本体水解特征,分子量几乎呈指数规律下降,分子量分布系数不断增大,支架的压缩强度逐渐降低;多孔支架内部孔结构形态在降解4周后无明显变化,8周后在一些孔壁上腐蚀出少量的小孔,12周后孔壁上的小孔数目增加,16周后,大孔开始萎缩,20周后一些薄的孔壁被腐蚀掉,一些小孔连通成较大的孔,24周后支架出现萎缩塌陷。   用改进的常温模压/粒子沥滤法制备了P(LLA-CL)75/25多孔导管支架,其孔结构相互连通,大孔分布均匀。P(LLA-CL)75/25多孔导管支架的体外降解表现出典型的本体水解特征;导管支架的拉伸强度和断裂伸长率随着降解时间的增加而降低;多孔导管支架的孔结构在降解4周时无明显变化,20周后导管支架的部分区域开始出现萎缩塌陷。   细胞毒性试验显示成骨细胞在P(LLA-CL)75/25支架材料浸提液中生长良好,没有表现细胞毒性。试验结果表明P(LLA-CL)75/25支架材料无急性毒性、无慢性毒性、不导致溶血、无致热原、无抑菌作用、无非感染性炎症。   P(LLA-CL)75/25多孔泡沫支架用于人AMSCs诱导成软骨细胞的体外、体内试验研究表明P(LLA-CL)多孔支架在体外和体内都可帮助诱导AMSCs向软骨细胞分化;P(LLA-CL)支架可以为AMSCs提供粘附生长、向软骨细胞定向分化和合成及分泌细胞外基质的场所。P(LLA-CL)75/25多孔泡沫支架具有良好的生物相容性、可降解吸收性,且吸收速率恰当,能够作为构建组织化软骨的支架材料。   P(LLA-CL)75/25多孔神经导管支架用于SD大鼠的坐骨神经修复实验研究表明P(LLA-CL)75/25多孔导管支架在动物活体内可完全生物降解,与周围组织有良好的生物相容性,有帮助受损周围神经桥接和促进其再生的作用。
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