（材料学专业论文）以水为溶剂的电纺丝明胶纳米纤维膜的制备及性能研究.pdf

7 ， 学位论文数据集 中图分类号 l b l 8 0 8 学科分类号 0 8 0 5 论文编号1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 3 4 8密级 公开 学位授予单位代码1 0 0 1 0学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名 左璞品学号 2 0 0 4 0 0 0 3 4 8 获学位专业名称 材料学获学位专业代码 0 8 0 5 0 2 国家自然科学基金项 课题来源研究方向 纳米生物材料 目 论文题目 以水为溶剂的电纺丝明胶纳米纤维膜的制备及性能研究 关键词静电纺丝；明胶；水溶液；交联；引导组织再生 论文答辩日期2 0 0 7 0 5 2 7论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师杨小平教授北京化工大学 复合材料与生物材料 北京大学前沿交 评阅人1邓旭亮研究员 牙科医学 叉学科 评阅人2黄关葆 副教授北京服装学院高分子材料 评阅入3 评阅人4 评阅人5 北京大学前沿交 答辩委员会主席邓旭亮 研究员牙科医学 叉学科 答辩委员1黄关葆副教授北京服装学院高分子材料 答辩委员2杜中杰教授北京化工大学材料学 答辩委员3张晨副教授北京化工大学材料学 答辩委员4吴丝竹教授北京化工大学 材料学 答辩委员5 注：一论文类型- 1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在( 中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b tl3 7 4 5 - 9 ) ( 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 4 9洲401 舢8川-y 以水为溶剂的电纺丝明胶纳米纤维膜的制备及性能研究 摘要 引导组织再生( g u i d e dt i s s u er e g e n e r a t i o n ，g t r ) 膜材料的制备是 组织工程研究的核心技术之一。细胞在小于本身的直径( 纳米级) 的纤维 上具有更好的粘附特性，因此，采用电纺丝制备的多孔三维细胞支架 能够更好地仿生天然细胞外基质的结构特点，有望成为理想的引导组 织再生膜材料。具有生物相容性的高分子特别是天然高分子如胶原、 壳聚糖、丝素蛋白等通过静电纺丝所得的纤维毡具有孔隙率高、孔径 可调、结构生物相容性良好等特点，在引导组织再生膜材料领域有广 阔的应用前景。明胶是由动物体内的胶原蛋白水解制备而成，具有良 好的生物相容性、可降解性以及低免疫原性，近年来通过电纺丝制备 明胶支架材料得到广泛研究。目前关于静电纺丝法制备明胶纤维的研 究多采用有机溶剂如三氟乙醇、六氟异丙醇等，这样可以避免明胶的 凝胶化的影响，成丝性能较好，但残留在纳米纤维中的有机溶剂有可 能对机体产生毒副作用。明胶具有水溶性，如果能采用水作为溶剂， 制备出性能优异的明胶纤维，将具有重要意义。 本文以水为溶剂，通过电纺丝的方法制备了新型明胶纳米纤维毡， 研究了纺丝体系温度、纺丝液浓度、纺丝电压、流速及接受距离等工 艺参数对纤维形态的影响；分别采用戊二醛和e d c n h s 为交联试剂， 考察交联明胶纤维的微观形貌、化学结构、热力学性能和力学性能变 化；对最终制得的明胶纤维毡进行了生物学性能研究。研究结果表明 当明胶水溶液浓度为3 3 w t 、纺丝体系温度为4 0 。c 、流速0 3 m l p a 、接 受距离1 0 c m 、电压2 2 k v 时，所得明胶纤维毡具有均匀多孔的微观形 貌，纤维直径分布在1 2 0 - - - - 2 1 0 n m ；用1 0 w t 的1 ( 3 二甲氨基丙基) 一3 乙基碳二亚胺( e d c ) n 羟基琥珀酰亚胺( n h s ) 的乙醇水溶液对纤 维毡进行交联，所得明胶纤维毡中纤维的形态较戊二醛交联纤维膜得 到较好的保持，纤维的耐热性和力学性能均有所提高。将牙周基质细 胞( p d l c s ) 和口腔黏膜成纤维细胞( o f c ) 分别接种于交联明胶纤 维无纺毡和明胶平行排布纤维毡的细胞培养实验表明：p d l c s 能够在 该明胶纤维无纺毡上粘附、伸展和繁殖，o f c 沿明胶平行排布纤维毡 纤维纵轴方向向两极伸展，细胞形态由培养初始的圆形变为长梭形， 呈取向生长的趋势，该材料有望作为一种新型的口腔引导组织再生膜。 关键词：静电纺丝；明胶；水溶液；交联；引导组织再生 l l 北京化工大学硕i ：学位论文 t h ee a b i u c a t i o no fe l e c t r o s p u ng e i 。加n n a n o f i b e rm e m b r a n eu s i n g 份j e ra st h e s o l v e n ta n dt h ep r o p e l u i e ss t u d y a b s t r a c t t h ef a b r i c a t i o no ft h eg u i d e dt i s s u er e g e n e r a t i o n ( c x r ) m e m b r a n e m a t e r i a l sh a v eb e c o m et h ek e yt e c h n i q u eo ft h et i s s u ee n g i n e e r i n gs c a f f o l d s t u d y t h ec e l l sa d h e r ew e l lo nt h ef i b e r sw h o s ed i m e n s i o ni sb e l o wt h e i r o w n ( m i c r o s c a l e ) s ot h a tt h ep o r o u st h r e ed i m e n s i o ne l e c t r o s p u ns c a f f o l d m a t e r i a lc a nm i m i ct h es t r u c t u r eo ft h en a t u r a le x t r a c e l l u l a rm a t r i xb e t t e r a n dh a v et h e p o t e n t i a l t ob ea ni d e a lg t rm e m b r a n em a t e r i a l t h e e l e c t r o s p u nn a t u r a lp o l y m e rf i b e rm e m b r a n e ，w h i c hi sp o r o u s ，p o r o s i t y a d a p t a l ea n db i o c o m p a t i b l e ，h a v eg r e a ta p p l i c a t i o ni nt h eg t r m e m b r a n e m a t e r i a lf i e l d g e l a t i ni st h eh y d r o l y s a t eo fa n i m a lt i s s u ec o l l a g e n t h e e l e c t r o s p u no fg e l a t i nt of a b r i c a t et h es c a f f o l dm a t e r i a lh a so b t a i n e dm o r e a t t e n t i o nr e c e n t l yb e c a u s eo fi t s b i o c o m p a t i b i l i t y , d e g r a d a b i l i t ya n d l e s s i m m u n o g e n i cp r o p e r t y i ne a r l i e rs t u d y , n a n o s c a l eg e l a t i nf i b e r sh a v eb e e n e l e c t r o s p u nb ye m p l o y i n go r g a n i c s o l v e n ts u c h a s 北京化工大学硕士学位论文 2 , 2 , 2 一t r i f l u o r o e t h a n o l ( t f e ) a n d1 , 1 ，1 3 ，3 ，3 一h e x a f l u o r o 一2 一p m p a n o l ( h f p ) ， w h i c hc a na v o i dt h eg e l a t i o na n dh a v eg o o df i b e r - f o r mp r o p e r t y b u tt h e i r c y t o t o x i n i cp r o p e r t ym a yb r i n gu n p r e d i c t a b l ep o i s o nt ot h et i s s u e s ，w h i c h l i m i t e dt h e i ra p p l i c a t i o ni nt h em e d i c i n a lf i e l d g e l a t i ni saw a t e r - s o l u b l e n a t l l r f l p o l y m e r u s i n gw a t e ra st h es o l v e n tt oe l e c t r o s p u nt h eg e l a t i n n a n o f i b e rc a nm a k eg r e a ts e n s e an e w t y p eo fg e l a t i nf i b e rm e m b r a n ew a sp r e p a r e db ye l e c t r o s p i n n i n g o fg e l a t i na q u e o u ss o l u t i o n t h ea f f e c to ft e c h n o l o g yp a r a m e t e rs u c ha st h e e l e c t r o s p i n n i n gt e m p e r a t u r e ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o n ，t h ev o l t a g e ， t h ef l o wr a t ea n dt h er e c e i v i n gd i s t a n c ew a ss t u d i e d t h ea s - s p u ng e l a t i n f i b e rm e m b r a n ew a sc r o s s l i n k e d b yg l u t a r a l d e h y d e ( g t a ) a n d n - ( 3 d i m e t h y l a m i n o p r o p y l ) 一n - e t h y l c a r b o d i i m i d e h y d r o c h l o r i d e ( e d c ) n - h y d r o x y s u c c i n i - m i d e ( n h s ) r e s p e c t i v e l y t h em o r p h o l o g i e s ，s t r u c t u r e s ， t h e r m a l p r o p e r t i e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n di nv i t r o d e g r a d a t i o n b e h a v i o r so fi tw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee l e c t r o s p u n g e l a t i n f i b e rw h o s em e a nd i a m e t e ri s12 0 - 2 0 0 n mi so b t a i n e du n d e r p a r a m e t e ro f3 3 w t ，4 0 c ，0 3 m l h ，1 0 c ma n d2 2 k v t h ec o n s t r u c t i o no f t h eg e l a t i nf i b e rm e m b r a n ew h i c hi sc r o s s l i n k e db y1 o w t e d c n h si s w e l lr e t a i n e d t h et h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ea l s oi m p r o v e d p d l c sa n do f c sa t t a c h m e n ta n dp r o l i f e r a t i o no ng e l a t i n e l e c t r o s p u n m e m b r a n e sw e r ed i s c u s s e d b ys c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) o b s e r v a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tp d l c sa d h e r et ot h eg e l a t i nf i b e r i v 北京化工火学硕士学位论文 m e m b r a n ea n dp r o l i f e r a t ew e l lo ni t o f cp r o l i f e r a t ea l o n gt h e a r r a y d i r e c t i o no ft h ep a r a l l e lf i b e rm a t t h i sm a t e r i a lh a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o na s an e wt y p eo fs t o m a t o l o g yg t rm e m b r a n e k e yw o r d s ：e l e c t r o s p i n n i n g ；g e l a t i n ；a q u e o u ss o l u t i o n ；c r o s s l i n k i n g ； g t r v 北京化工人学硕士学位论文 目录 第一章前言1 i 1 生物医用材料1 i 1 i 生物医用高分子材料2 1 i 2 生物医用金属材料和无机材料2 i i 3 生物医用复合材料2 1 1 4 第三代生物医用材料3 i 2 明胶3 i 2 1 明胶的来源4 i 2 2 明胶的结构与性质4 1 2 3 明胶的交联5 i 2 4 明胶的应用6 1 3 引导组织再生( g t r ) 膜7 i 3 1g t r 膜概述。7 1 3 2g t r 技术的基本原理9 i 3 3g t r 材料研究现状9 1 3 3 1 生物不可降解材料1 0 i 3 3 2 生物可降解材料1 0 1 3 4g t r 膜材料的研究方向和发展趋势11 v l 北京化工大学硕 ：学位论文 1 3 4 1 复合膜、共混膜、多孔膜11 1 3 4 2 复合活性因子的生物化功能性膜1 2 1 4 电纺丝纳米纤维1 3 1 4 1 纳米材料和纳米纤维13 1 4 2 静电纺丝技术1 4 1 4 2 1 静电纺丝原理1 4 1 , 4 2 2 静电纺丝的影响因素1 5 1 4 2 3 静电纺丝在生物医用材料中的应用1 7 1 4 2 4 静电纺丝在其他领域的应用1 8 1 5 论文研究背景、内容及目的1 9 第二章实验部分2 1 2 1 实验试剂2 1 2 2 实验仪器2 1 2 3 实验方法21 2 3 1 明胶h 2 0 纺丝液的配制2 2 2 3 2 明胶纤维膜的制备2 2 2 3 - 3 纺丝工艺参数实验2 2 2 3 4 明胶纤维膜的交联处理2 3 2 3 4 1 戊二醛交联明胶纤维膜2 3 2 3 4 2e d c n h s 交联明胶纤维膜2 3 2 3 5 交联纤维膜溶胀、溶出性能测试2 3 v l l 北京化工人学硕上学位论文 2 3 6 细胞培养实验2 4 2 3 6 1 细胞培养2 4 2 3 6 1 细胞培养2 4 2 3 6 2 细胞形态观察2 4 2 4 分析测试2 4 2 4 1 扫描电镜( s e m ) 2 4 2 4 2 红外光谱分析( f t i r ) 2 4 2 4 3 差示扫描量热分析( d s c ) 2 4 2 4 4 力学性能测试2 5 第三章结果与讨论2 6 3 1 明胶纳米纤维纺丝工艺研究2 6 3 1 1 浓度的影响2 6 3 1 2 温度的影响，2 8 3 1 3 电压的影响3 0 3 1 4 接受距离的影响3 1 3 1 5 流速的影响3 2 3 1 6 纺丝工艺条件的优化和取向纤维的制备3 3 3 2 戊二醛交联明胶纳米纤维膜性能研究3 4 3 2 1 微观形貌分析3 4 3 2 2 红外光谱分析3 5 3 2 3d s c 分析3 6 v | i i 北京化- 丁人学硕士学位论文 3 2 4 力学性能分析3 7 3 2 5 溶胀、溶出性能分析3 8 3 3e d c n h s 交联明胶纳米纤维膜4 0 3 3 1 交联液浓度的选择4 0 3 3 1 1 形貌分析4 0 3 3 1 2 红外光谱分析4 2 3 3 1 3 溶胀、溶出性能分析4 2 3 3 2e d c n h s 交联明胶纳米纤维膜性能研究4 4 3 3 2 1 微观形貌分析4 4 3 3 2 2 红外光谱分析4 5 3 3 2 3d s c 分析4 6 3 3 2 4 力学性能分析4 7 3 3 2 5 溶胀、溶出性能分析4 7 3 4 细胞贴附与形态学观察4 9 第四章结论。s 2 参考文献5 2 致谢。5 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 9 l x 北京化工大学顾l 论文 1 1 生物医用材料 第一章前言 生物医用材料是指用于对生物体进行诊断、治疗、置换或修复损坏的组织、 器官或增进其功能的天然或人造材料。生物材料学科涉及生命科学与材料科学等 学科如生物学、医学、材料学、力学、工程学等的交叉前沿领域。目前生物医用 材料包含许多种类如惰性或活性植入材料、药物释放材料、齿科材料、缝合线、 创面覆膜，与体液或血液等接触的导管、膜、微球等材料，以及医疗诊断、器械 等应用中的传感器材料、探头材料和电极材料等等。随着组织工程学的发展，人 们期望由活细胞和生物材料构建活体的组织或器官三维复合体，从而实现人工制 造组织和器宫的梦想1 1 1 。 生物医用材料及各种人工器官，辅助装置、缓释降解载体、微囊的研究成功 和应用，为临床上一些不可逆的脏器、组织的功能损伤性疾病创造了有效的治疗 方法和手段。特别是近1 0 年发展起来的组织工程，为人工组织和器官的临床应用 开辟了广阔的前景。用于此项研制的各种生物医用材料都必须具备优良的生物相 容性才能被人体接受，并保证i 临床使用的安全性。为此，生物医用材料及其制品 的生物相容性问题在7 0 年代初就受到各国政府和科学界的重视，并相继进行了深 入研究。国际标准化组织( 1 s o ) 制定了医用装置的生物相容性评价指导原则及标 准试验方法。1 9 9 2 年i s o 发布了医用装置生物学评价系列国际标准 ( i s 0 1 0 9 9 3 1 9 9 2 ) ，该标准己被各国政府采纳1 2 l 。 生物材料在研究、应用中的一个关键难题是与生物体相互作用时的生物相容 性问题，它是指材料与生物体相互作用的生物、化学、物理、力学等反应如免疫 反应、血液反应、组织反应、生化反应等等。植入人体内的生物医用材料及各种 人工器官、医用辅助装置等医疗器械，必须对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、 无遗传性和无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。因此， 材料的生物相容性优劣是生物医用材料研究设计中首先考虑的重要问题。 北京化工大学硕士论文 生物医用材料按材料组成可分为生物医用高分子材料、医用金属材料、生物 陶瓷材料和生物复合材料，其中生物高分子材料种类和用量居首，是生物医用材 料中的重要组成部分。 1 1 1 生物医用高分子材料 生物医用高分子1 3 l 是在高分子材料科学不断医学和生命科学渗透，高分子材料 广泛应用于医学领域的过程中逐步发展起来的一大类功能高分子材料。众所周知， 生物体是有机高分子存在的最基本形式，有机高分子是生命的基础。动物体与植 物体组成中最重要的物质一蛋白质、纤维素、淀粉、生物酶和果胶等都是高分子 化合物。因此，可以说，生物界是天然高分子的巨大产地。高分子化合物在生物 界的普遍存在，决定了它们在医学领域中的特殊地位。在各种材料中，高分子材 料的分子结构、化学组成与理化性质与生物体组织最为接近，因此最可能用作生 物医用材料。 1 1 2 生物医用金属材料和无机材料 生物医用金属材料是一类生物惰性材料，早在一百多年前人们就已经会用金 属镶牙。金属材料具有较高的机械强度、韧性和抗疲劳性能，适用于修复心血管 和软组织，修复或代换人体的硬组织主要有以下几种：以金为主的贵金属、不锈钢、 钴基合金、钛及其合金1 4 捌等。 无机生物医用材料1 6 l 从主要成分来看，分为生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料。 1 9 0 8 年就己经用陶瓷来镶牙，生物陶瓷是由金属离子及非金属离子两部分以离子 键结合的晶体材料；生物玻璃是贴壁培养动物细胞的优良基质，已用玻璃基质加 工成大量培养动物细胞的载体；碳是生物体的重要组成元素，具有极好的抗血栓 性，被认为是最佳的人工心脏瓣膜材料，多孔性碳材用作人工齿根和骨修复材料。 近几十年来由于无机生物医用材料性能的改善及其复合材料发展的需要，这类材 料的研制和应用都有了较大的发展。 1 1 3 生物医用复合材料 北京化工大学硕士论文 目前使用的生物医用材料几乎都属于复合或杂化材料，能在一定程度上调节 自身的物理力学性质，以适应周围环境，具有自适应和自愈合能力。 合成高分子材料易加工，能控制材料的机械强度、亲水性、降解速率等；而天 然材料不易提取和加工，且其物理性能受到限制，但天然材料具有特殊的生物活 性，不易引发受体的免疫排斥反应，具有较好的界面相容性。将合成高分子材料 与天然材料偶联在一起形成复合材料，既能保持人工材料的力学强度，又具有良 好的生物相容性和抗凝血性 高分子材料、无机材料、金属合金既可以作为生物医用复合材料的基材，又 可互相作为增强体或填料以提高性能如表面或内部含有金属颗粒的聚合物微球， 依所含金属量的不同，具有不同的性质，包括磁性、催化作用、光学性能等。以 羟基磷灰石作表面的生物合金延长了合金作为膝盖替代物在体内的寿命，也提高 了合金作为牙植入物连锁装置的耐久性。 1 1 4 第三代生物医用材料 第三代生物医用材料是由活体组织和人工材料有机结合而成的新型材料，能 主动诱导、激发人体组织器官再生修复。 第三代生物医用材料主要有两种：一类是由对各种组织细胞的生长进行调控 的生长因子同人工合成材料相结合而成，植入人体后，细胞生长因子诱导细胞的 分化和繁殖以再生组织修复患处，而合成材料作为储存、控制释放和保持生长因 子活性的支架。如甲壳素就可被用作诱导损伤神经修复的神经导管材料；卵磷脂 存在于血液细胞外表面，用它来修饰低密度聚乙烯提高了生物相容性，也用来修 饰胖化的聚苯乙烯；另一类是在人工合成材料的基础上培养细胞，细胞移植后自 然生长以替代创伤组织，作为人体组织和器官的结构材料，还可利用细胞本身的 信息功能用作生物传感器，这类材料应该便于和细胞杂化，可以用生物化学技术 固定细胞的粘附因子、细胞的增殖因子、细胞的分化因子以及合成配位体的活性 部分1 7 1 。 北京化工人学硕 论文 1 2 明胶 1 2 1 明胶的来源 整个生物界中己知存在着的蛋白质己逾百万种，蛋白质是由若干个氨基酸通 过肽键连成的长链生物大分子。生物体内几乎一切最基本的生物活动都与蛋白质 有关。蛋白质是细胞中最丰富的生物分子，具有多种不同的生物功能，其中最重 要的一种就是结构功能，例如动物的角、触、韧带、骨、蚕丝等，其主要成分都 是结构蛋白质。结构蛋白质还可以与多糖和生物矿物结合在一起获得各式各样的 结构功能，如使骨骼或枝干、叶脉等具有特定的柔性或刚性。 胶原是结构蛋白的一种，所有多细胞生物都含有胶原，胶原不同程度地存在 于一切器官中。哺乳动物身上所有蛋白质的3 0 都是胶原蛋白。胶原是细胞骨架 的重要成分，也是皮肤、骨、触、软骨、血管和牙齿的主要纤维成分。作为医学 材料应用的胶原来自于活体组织，具有来源充足，非抗原，可生物降解，无毒， 生物相容性的特点，可促进血液凝固( 止血剂) ，可被制成多种形态( 包括条状、 薄片、海棉和球状) ，其生物降解性可通过交联来控制i & 1 0 l 。 明胶是以牛、猪等动物骨、皮为工业原料，经一系列预处理和净化，提取出 其中的胶原，使其适度降解，再经过热变性等工序而制得。明胶兼具蛋白质和材 料双重特性，它既是一种蛋白质，又是一种高分子生物材料【1 1 - ”】。 1 2 2 明胶的结构与性质 纯明胶是由大量c o n i t c h r 的多肽链以立体交叉的形式构成，示意图如图 1 - 1 所示。从组成上看，明胶由1 8 种氨基酸( 甘氨酸、丙氨酸、缘氨酸、亮氨酸、 异亮氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸、组氨酸、 赖氨酸、轻赖氨酸、精氨酸、脯氨酸、经脯氨酸、蛋氨酸) 组成1 1 4 1 。它也具有胶原 的很多优良性质，同时，明胶又具有胶原不具备的性质，明胶作为典型的刚性链 聚合物，在很多方面与合成聚合物很相似。 北京化工大学硕士论义 r食。 i： l 入c h ( ! 0r l n i t 大c ol c o 奠hc hc on h h hc hc on hc h l l c ho d 定。髓c l ic or 粕 i ： l ： i 2 ： 一 0 图1 - 1 明胶分子结构示意图 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r a lf o r m u l ao fg e l a t i n 明胶作为生物材料，它的链单元的多样性决定了明胶具有特殊的性质：首先， 明胶分子既具有酸性基团，又具有碱性基团；其次，明胶能形成特殊的三维螺旋 状结构；第三，明胶分子与水有着特殊的作用。因此它具有许多优良的物理及化 学性质，如亲水性强、具有形成胶冻的能力、溶胶与凝胶的可逆转化、成膜性能 好、侧链基团反应活性高以及电荷随介质p h 值变化而变化的两性电解质性质等。 明胶的成品为无色或淡黄色的透明薄片或微粒。明胶不溶于冷水，但可缓慢 吸水膨胀软化，明胶可吸收相当于其重量5 1 0 倍的水。它能溶于热水，冷却后冻 成凝胶状物，溶于甘油和乙酸，不溶于乙醇和乙醚。在干燥情况下能长期储存， 而遇潮湿空气很容易受到细菌作用而变质。 明胶具有极其优良的物理性质( 如胶冻力、亲水性、高度分散性、低粘度特 性、分散稳定性、持水性、被覆型、韧性可逆性等) 和化学性质( 典型的多肽 链的两性聚电解质特性、侧链基团反应活性高等) ，且价格便宜，因而明胶在生物 高分子化合物中占有极重要的地位，它广泛地用于许多工业制品中，这是由于其 独特的物理与化学性质所决定的l l 孓l 叼。 1 2 3 明胶的交联 明胶是具有良好的生物降解性和生物相容性的生物高分子材料，在组织工程 及制作人工器件中具有广泛的用途。但明胶直接应用时具有一些缺点，如明胶在 作为人工皮肤的骨架材料时，生物相容性好，但降解速度过快，不能满足实际需 北京化工大学硕士论文 要。因而通过交联的方法来降低其降解速度1 1 恻。 交联的方法有物理和化学交联1 2 1 j 。物理交联包括明胶经过x 一射线以及电弧放 电照射后，明胶便转化为不溶的物质；长时间强化干燥也可导致明胶变得不溶。 化学交联的方法是根据明胶的侧链反应都是采用单官能团的试剂，所以当试剂有 两个或两个以上官能团时，明胶就会发生交联，交联的方式有分子内交联和分子 间交联。常用的交联剂有戊二醛、双醛淀粉和乙二醛等。人们常用化学交联的方 法来降低明胶的降解速度，但其缺点是引入了小分子交联剂，未反应的小分子一 般具有细胞毒性，难以消除1 2 2 1 。 1 2 4 明胶的应用 明胶是最早获得应用和商业化的蛋白质，具有较高的经济效益。长期以来明 胶与各种类型的表面活性剂的混合物被广泛的应用于食品制造业、医学、生物技 术、感光工业，以及其他的技术部门1 2 孓2 8 1 。此外，明胶为多肽混合物，对人体无 毒无害，并具有良好的生物组织亲和性和可生物降解性。在医学上，明胶作为血 浆膨胀剂及止血剂、药物的包衣和微胶囊、生物降解水凝胶等被广泛应用。近年 来，以明胶为基材制作的人造皮肤能防止伤口感染，加快伤口愈合，在医用材料 领域显示了广泛的应用前景1 2 9 l 。 胶原蛋白是许多细胞外基质的主要成分，用胶原蛋白作为组织工程的细胞支 架对细胞培养十分有利，关于胶原的静电纺丝的研究近年来成为研究热点。 m a t t h e w s l 3 4 j 用静电纺丝法研究胶原作为细胞支架的可行性。在最佳纺丝条件下， 小牛皮中的l 型胶原可纺成直径为l o o n m 的纤维，其带状花纹和天然胶原相同。 细胞培养实验表明，纤维支架对平滑肌细胞的生长和繁殖有促进作用。但是这种l 型胶原支架的力学性能相对较差，限制了其应用范围。为此，s t a n k u s 3 5 l 等人利用 静电共混纺丝技术将i 型胶原和合成材料聚醚氨酯脲( p e u u ) 混合制备细胞支架。 由于p e u u 力学性能优良，从而弥补了l 型胶原作为支架材料的缺陷。结果显示， 胶原纤维支架与软骨细胞具有良好的相容性，能促进细胞生长，并且细胞容易迁 移到支架内部。此外，h u a n g i 刈等人用l 型胶原和聚氧乙烯( p e o ) 共混后静电纺丝 获得了纳米级纤维，认为这种基于细胞外基质成分的织物可用在伤口包覆和组织 工程中。k i d o a k i l 3 7 1 等则用静电纺丝法制备了一种双层管状结构的人造血管，其内 层由较薄的l 型胶原纳米纤维构成，外层覆盖有较厚的嵌段聚亚胺酯( s p u ) 纤维 北京化工大学硕j 二论文 层。研究结果发现，这种结构的血管与天然血管有很好的相容性，并利于细胞在 组织内部的生长。可吸收胶原膜作为引导组织再生膜已经被用在牙周疾病、整形 外科、耳鼻喉学等。明胶与胶原的结构类似，因此在生物医学领域研究中也具有 很重要的意义。s h o j i r om a t s u d a 3 8 】等采用紫外交联的明胶膜作为防腹膜粘黏膜进行 动物实验，结果发现该明胶膜在兔腹腔内经过三天降解完全，并且达到了很好的 防腹膜粘黏的效果。 1 3 引导组织再生( g t r ) 膜 1 3 1g t r 膜概述 对于各类骨缺损的修复、牙周病损、尤其是根分叉病变出现骨内袋的严重牙 周损害的治疗，以及种植体周骨量不足所致种植体骨整合不良，种植失败的预防 或补救，一直是人们试图解决的难题。至今已有许多学者通过组织学研究和临床 追踪观察，证实了引导组织再生膜在促进骨缺损修复、扩大牙槽嵴、促进牙种植 体骨整合及牙周组织再生中的作用。目前，多种引导组织再生膜己被广泛用于动 物实验和临床实践。 引导组织再生( g u i d e dt i s s u er e g e n e r a t i o n ，g t r ) 是近年来在体外、体内、动物、 临床应用实验基础上发展起来的一种促进组织再生愈合的新理论及技术。其中引 导组织再生材料是目前国内外生物材料研究的一大热点，特别是在牙周疾病的治 疗中得到了广泛的应用。g t r 术是目前临床上手术治疗牙周炎实现新附着的最有 效的方法。1 9 9 6 年牙周病世界专题研讨会提出：g t r 是根据不同的组织反应，用 膜遮蔽组织上皮及牙龈真皮层与牙根接触，使丧失的牙周组织再生，包括牙槽骨、 牙周韧带和牙骨质的再生。 牙周引导组织再生术是通过在根面与根瓣之间放置生物屏障膜，选择性保护 和促进牙周特异性细胞优先占据根面，形成新的牙周附着装置，重建结缔组织和 结合上皮对根面的优先附着关系。1 9 7 6 年m e l c h e r l 3 9 l 在牙周病损治疗中提出g t r 技 术的设计，同时提出：牙周治疗后的愈合类型是由最先定居于根面的细胞决定的， 如细胞源于牙龈上皮则形成上皮结合；细胞源于骨组织则引起根骨固连；细胞源 于结缔组织则导致牙根吸收：只有细胞源于牙周韧带( p e r i o d o n t a ll i g a m e n t ，p d l ) t j 北京化工大学硕士论文 能形成新生牙骨质、牙周膜和牙槽骨，重建因病变而破坏的牙周支持组织牙根上 皮有沿根面生长的趋势，当其遇到障碍物时则停止生长l 加j 。因此使用膜可以阻挡 上皮的根向迁移，避免其与有骨形成能力的细胞产生竞争性抑制，同时又可保护 血凝块的稳定，维持血凝块充填的空间，允许形成细胞缓慢进入缺损区，继而修 复缺损重建功能【4 。n y m a n 等1 4 2 1 首先应用g t r 术治疗人体牙周缺损，将非降解性 微孔滤膜覆盖于翻瓣术中暴露的根面和骨面，获得了牙周新附着和骨再生。 生物膜材料的发展是g t r 术的重点内容和必要条件。生物膜以其能否被机体 吸收可分为非降解膜和降解膜。生物非降解膜主要包括膨体四氟乙烯( e x p a n d e d p o l y t e t r a f l u o r e t h y l e f e ，e p t f e ) 膜、微孔滤膜和b i o b r a n e 硅酮膜等。e p 耵砸膜已商 品化的有g o r e t e x 、b i o p o r e 、s a r t o r i u s 等，其g o r e t e x 膜影响较大。g o t t l o w 等1 4 3 1 首先用g o r e t e x 膜治疗根分歧病变及垂直型骨缺损。在处理完根分歧部病变后，在 根分歧部与跟瓣之间放置g o r e t e x 膜，阻挡了牙龋上皮向根分歧部的迁移和增殖， 并使骨缺损的修复环境得以改善，从而使牙周组织出现新附着，骨缺损被治愈。 自1 9 8 6 年g o r e 等研制开发以来，g o r e t e x 膜以其引导组织再生效果确实可靠而被作 为g t r 材料学研究的“金标准”1 4 4 j 并广泛应用于临床。但g o r e t e x 膜本身不被吸 收且无法与周围组织结合，在机体内存留时间过长会硬化成为异物，因此必须在 植入后4 6 周取出i 矧。而生物降解膜可以实现g t r 术的一步法l 删，保证了牙周组织 再生过程不被干扰，且临床效果与非降解膜相当或更好，因此应用生物降解膜己 成为g t r 术的一种普遍趋势。 生物降解膜主要有胶原膜( c o l l a g e nm e m b r a n e ) 和聚合物膜等。胶原膜在体内降 解过快，维持时间一般仅有1 以周，不能满足维持缺损间隙及牙槽嵴增高术的要求 1 4 7 ；降解过程及产物会引起机体的免疫反应i 镌l ：膜靠近及超出跟缘的部分被来自 炎细胞、菌斑及唾液中的酶类所分解，影响了其抑制上皮根向迁移的作用1 4 9 1 。聚 合物膜调节各聚合物组成比例，可以得到降解速度较适宜的生物膜。但此类材料 亲水性不足，对细胞粘附性弱，组织结合性差；降解产物偏酸性，不利于细胞生 长增殖及组织修复。其它诸如异体或异种移植物制成的降解膜，大多有免疫反应， 而且有传播疾病的危险i s o 。因此，目前g t r 材料研究的重点是研制开发一种理想 的膜材料以解决现有的各种膜难以克服的缺陷。 理想的膜材料应具备以下的性质： 1 ) 无毒，不致癌，不致敏，不引起炎症或异物反应，生物相容性好： 北京化工大学硕上论文 2 ) 能与宿主组织相结合，而且有适当的生物学和生物力学性能； 3 ) 能与宿主的组织愈合机制对损伤或损害做出反应： 4 ) 有良好的可塑性，便于制成各种形态的制品植入生物体内； 5 ) 消毒容易，操作方便； 6 ) 来源广泛，价格低廉。 1 3 2g t r 技术的基本原理 引导组织再生的基本原理是用外科手术方法在患处放置一物理屏障来分隔不 同的组织，目的是建立能使特定组织再生功能得到最大程度发挥的有利环境。再 生是指缺损区结构和功能的恢复。关于其机制，许多学者通过组织学观察、细胞 培养、同位素示踪等方法进行了探索。 m c l c h e r l 4 1 j 认为牙周组织再生来源于牙槽骨和牙周韧带的前体细胞。这一观点 由l 甜h a u t 等1 5 l 】采用3 h 标记胸腺啼吮核昔( 3 h t d r ) 进行实验，经放射自显影摄像的 细胞动力学研究证实。s a n d e r 等1 5 2 l 通过对猴根分又病变g t r 术后的组织学观察，对 新形成的结缔组织中血管的走行方向研究，判断这些组织起源于余留的牙周韧带 和牙槽骨。种植体周围骨缺损，其它部位骨缺损的再生则由骨膜及骨质中成骨细 胞增殖，或骨髓干细胞在血凝块内的多种生长分化因子，如b m p ，p d g f , t g f ，i g f 等作用下完成分化成骨。l u 5 3 】经过动物实验，认为引导组织再生膜对长骨缺损修 复的机制是：( 1 ) 提供骨再生空间；( 2 ) 阻挡周围结缔组织长入缺损区；( 3 ) 增大成骨 前体细胞密度及增加b m p 浓度；( 4 ) 保护血凝块稳定使之成为骨细胞长入的桥梁结 构。引导骨再生膜的屏障作用阻止软组织中的成纤维细胞及上皮细胞长入骨缺损 区，避免了它们与有骨生成能力的细胞产生竞争性抑制。借保护的血凝块为桥梁， 有骨生成能力的细胞和有牙周组织分化能力的细胞缓慢进入缺损区完成再生。 1 3 3g t r 材料研究现状 实现g t r 的关键是g t r 材料的研究。该材料可分为生物可降解和不可降解材 料两大类。 、 北京化工大学硕t ：论文 1 3 3 1 生物不可降解材料 7 0 年代后期8 0 年代初期，n y m a n ，g o t t l o w ) 及b e k e r 等人相继对不可降解材料聚 缩醛、聚四氟乙烯及硅酮膜等进行了研究，这类材料虽然与组织有较好的生物相 容性，但因不能被组织吸收，需要二次手术取出材料，增加了创伤的机会，难以 被患者接受，临床效果也不十分理想。 生物不可降解材料中研究较多的是聚四氟乙烯( p o l y t e t r a f l u o r