【作者】 屈依丽；

【导师】 陈治清；

【作者基本信息】 四川大学 ， 口腔临床医学， 2007， 博士

【摘要】 生物体的宏观与微观结构、形态和功能经过30亿年的优化，几乎完美无缺。许多生物组织和生物大分子都具有明显的电活性，组成生物体的蛋白质、酶、DNA和RNA、聚糖、生物膜，乃至骨骼、血管和皮肤等都是天然生物驻极体。骨骼是人们较早确认的天然驻极体材料，空间和极化电荷在体内的储存是骨骼驻极体效应的根源。生物电现象在骨的塑形和改建方面起着重要作用，可以大大加快骨折的愈合过程，采用电刺激促进骨折愈合是骨科常用的治疗方法，在骨折处附加电压所形成的负电荷积累有利于骨折愈合。体外给予直流电或交流电，或者将人置于电场中来促进骨折愈合，不能排除电场对人体其他器官可能造成有害影响，而且在临床上应用不方便，并难以保证整个疗程中电刺激的稳定有效性。针对上述缺点，本课题研制了生物可降解驻极体。生物驻极体是一种电活性功能材料，作为硬组织修复材料在体内不需外电源，其负电活性具有抗菌作用，并可刺激骨组织生长。随着新组织的形成，材料逐渐降解，降解产物被机体利用吸收。实验选择生物相容性好，来源丰富，价格低廉的壳聚糖为原料，制备生物可降解驻极体。并仿生合成壳聚糖／磷灰石复合驻极体生物材料。最后评价了壳聚糖生物复合驻极体的体外生物学性能。本课题分为三个部分：1．壳聚糖生物复合驻极体的制备及表征采用气隙击穿极化法和栅控恒压电晕极化法对壳聚糖及其复合材料进行极化，探讨极化电压、极化时间、极化温度与材料驻极性能的关系，并比较不同方法制备样品内的电荷密度、横向电荷均匀性及极化效率，储电性能和机械性能。结果显示栅控恒压电晕极化法较气隙击穿极化的方法，所需极化时间短，极化效果好，样品储电性能稳定。在栅控恒压电晕极化法中，70-75℃极化较常温极化，驻极体具有更好的电荷储存能力和储电稳定性，表明热处理可以改善驻极体的储电性能，选择高温栅控恒压电晕极化法制备的样品进行后续实验。高温电晕极化的驻极体在PBS液中初始1天内的表面电位迅速下降，之后电荷损失趋于缓和，表明驻极体表面浅阱电荷在液体环境中容易脱陷，而体内深阱电荷在液体环境中较稳定。CS／HA混合制备的复合驻极体与壳聚糖驻极体相比，复合材料的力学性能得以提高，其拉伸模量增加，断裂伸长率下降，拉伸强度呈上升趋势，但复合驻极体材料的储电能力和储电稳定性较差，因此下一步实验选择高温栅控恒压电晕极化的壳聚糖驻极体进行矿化仿生合成壳聚糖复合生物驻极体。2．壳聚糖生物驻极体的仿生矿化和体外降解研究根据生物矿化原理，在体外模拟机体环境，研究壳聚糖生物驻极体的矿化行为并仿生合成壳聚糖生物复合驻极体材料。实验将壳聚糖生物驻极体浸泡在SBF、SCS和ASS三种矿化液中，进行驻极体的体外仿生矿化研究，观察驻极体负电活性对仿生矿化的影响。实验结果表明壳聚糖生物驻极体负电活性具有诱导矿化能力，有助于类骨磷灰石的沉积，增加矿化沉积的速度和沉积的量。两种快速矿化的方法仿生制备壳聚糖复合生物驻极体，SCS矿化方法比ASS矿化法的矿化时间短，可合成高度仿生、具有良好生物活性的类骨磷灰石，在组成和结构上更加接近自然骨矿物质。所以SCS矿化可作为制备壳聚糖复合生物驻极体的有效方法。仿生矿化合成的复合驻极体材料较CS／HA简单共混制备的复合驻极体具有更好的生物活性和更优良的电荷储存稳定性。体外降解实验结果显示壳聚糖生物驻极体在溶菌酶溶液中降解较快，可能是由于负电活性激活溶菌酶的功能，溶菌酶活性增强，从而使壳聚糖生物驻极体具有更好的降解性能。3．壳聚糖生物复合驻极体的体外生物学评价电学微环境是体内细胞所处的重要微环境之一，提高生物相容性的一个重要方面就是使材料尽量模拟自然的生理状态，提供一个适合细胞粘附、增殖和分化的微环境。本实验通过密度梯度离心法成功分离培养了大鼠BMSCs，结合贴壁法获得具有很强的体外增殖活性、纯度较高的BMSCs。通过对驻极体表面成骨细胞和骨髓基质干细胞的粘附铺展、增殖分化及生物合成功能等方面进行研究，综合评价壳聚糖生物复合驻极体的生物学性能。结果显示：成骨细胞和BMSCs均对壳聚糖及复合驻极体表现出良好的亲和性，细胞在材料表面4小时即具备了稳定的粘附。细胞在驻极体材料表面立体生长并非紧贴材料表面平铺，表明其腹面细胞膜皱褶多，膜活动活跃，细胞代谢活动旺盛。壳聚糖及复合驻极体能促进成骨细胞和BMSCs的增殖和分化，并存在剂量关系，以-1kV组最为明显，而-1.5kV组开始出现对细胞增殖的抑制，细胞数量与未极化组相比明显减少，差异显著。本实验成功诱导出了成骨细胞表型的BMSCs，并随着时间的推进逐渐分化成熟。证明了壳聚糖生物复合驻极体作为骨修复材料可以诱导BMSCs骨向分化，促进了细胞成骨特异性蛋白的表达。综上所述，本课题采用高压电极化的方法制备了具有生物电活性、可降解的新型驻极体骨修复材料，并探索了利用生物矿化的原理仿生合成有机／无机复合驻极体生物材料，实验制备的壳聚糖生物复合驻极体材料的负电活性具有诱导仿生矿化能力，有助于类骨磷灰石的沉积，细胞实验显示材料不仅具有良好的生物相容性，而且还具有一定的骨诱导作用，为可降解生物活性复合驻极体的进一步开发应用奠定了基础。更多还原

【Abstract】 An electret has the property of charge storage, and the electret effect of biological tissues is a normal phenomenon. Many kinds of tissues and components in the body, such as blood vessels, bone, tendon, collagen, polysaccharides, enzymes, DNA and RNA show the electret effect. That electric stimulation can promote bone growth and repair has already been reported. However, it is not always convenient to apply an electric field in any treatment, so the use of electrets may be considered. Chitosan is the N-deacetylated derivative of chitin. It has been reported to be safe, hemostatic and osteoconductive, and to promote wound healing. Chitosan is an antimicrobial amino-polysaccharide that can be biodegraded by lysozyme. The Ph.D thesis is focused on the study of chitosan/ hydroxyapatite bioeletret and the effect of its electret property as a basis for the promotion of bone restoration.This research is composed of the following three parts.Part one: preparation and properties of chitosan/ hydroxyapatite bioeletret. In this part, the methods of preparing bioeletret were explored and optimized. The influences of polarizing voltage, polarizing time, and polarizing temperature to the electret property was studied. And the optimal technical route was concluded.Part tow: biomimetic mineralization and degradation of chitosan bioeletret in vitro. In this part, three different biomimetic methods were used for the mineralization of chitosan bioeletret. And the optimal method was concluded.At the third part of the thesis, in vitro experiments were designed and carried out to evaluate the biological reaction of the bioeletret. The BMSCs and OB cells were culture on chitosan/ hydroxyapatite bioeletret surfaces in vitro. Cell attachment, spreading, cell proliferation and differentiation were evaluated.Based on these findings, we could obtain chitosan/ hydroxyapatite bioeletret by using polarization and biomimetic mineralization. The novel bioeletret is biodegradable and has an excellent cytocompatibility for the growth of osteoblasts. Chitosan/ hydroxyapatite bioelectret may have value as a biomaterial in hard tissue restoration applications.更多还原