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生物基可降解聚氨酯的合成、功能化改性及医学应用价值
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  • 用途:硕士毕业论文 Master Thesis
  • 编辑:若诗
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  • 论文编号:el2021060519080922232
  • 日期:2021-06-09
  • 来源:上海论文网
本文是医学论文,在此基础上,利用熔融沉积3D打印技术、低温沉积3D打印技术和助剂发泡工艺等方法制备适用于组织工程和药物缓释等领域的可降解聚氨酯材料,包括熔融沉积3D打印氨基酸改性水性WBPU组织工程支架、低温沉积3D打印生物质改性PU软骨组织工程支架、植入式WPU/CS抗肿瘤药物超声控释体系和可注射生物活性PUSF@SDF-1组织工程支架,并进一步探索上述复合体系在软织工程和药物释放等领域的应用。具体结论如下:1)结果表明:随着DMPA含量的增加,WBPU乳液粒径减小,粒径分布变窄,颜色由白色变为半透明泛蓝光;同时WBPU亲水性提高,断裂强度增大,断裂伸长率降低,降解速率加快。合成了一系列氨基酸改性的阴离子水性聚氨酯WBPU,研究亲水性扩链含量对WBPU结构与性能的影响。与PLA降解性能的对比研究证实,WBPU降解产物无细胞毒性,且不会引起局部酸性产物的积累。将WBPU与熔融生物3D打印技术结合,在50-60°C下成功打印了具有复杂结构的组织工程支架。研究了针头尺寸、挤出速度和微丝间距等工艺参数对WBPU打印成型性能的影响,并对WBPU支架的细胞相容性、血液相容性与组织相容性进行评价。

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1引言

近年来,可降解聚氨酯材料在医疗卫生领域的开发,也正向生物工程、组织工程、药物释放等方面迅速发展。PU材料具有良好的弹性,可解决组织工程支架植入到体内与自体组织相连不紧密而在界面上产生剪切力造成植入体与自体组织相分离的问题;另外,PU降解不会产生酸性产物的局部积累,导致植入体附近PH值下降,产生无菌性炎症。然而,要使可降解PU生物医用材料获得更长远的发展,需对其进行改性,以适应生物医用材料的发展。因此改性的可降解PU生物医用材料引起了研究者们的广泛关注。通过对PU材料改性的方法已经被应用到血管、神经、骨、软骨等组织修复中。通过引入天然生物质对聚氨酯材料进行功能化改性,在保留聚氨酯优异力学性能的同时,又能提高其生物相容性和降解性能,使其可以在人体内提供短期支持,而后主要通过水解作用降解成小分子而排出体外。由此可见功能化改性可降解PU材料在作为组织工程材料和药物释放载体等方面具有很好的应用前景。

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2文献综述

 

2.1聚氨酯概述
聚氨酯的形态是由软硬段的化学结构、配比和分子量决定的。“软段”部分为聚氨酯提供低温性能、断裂伸长率和弹性,“硬段”部分为聚氨酯提供强度、弹性模量和耐热性等性能。因此,在聚氨酯合成过程中可以选用不同原料,通过改变和控制软硬段比例、分子量等方法来实现对其微观结构的控制,从而实现在宏观上对其性能的调控。聚合物的各种性能与基团内聚能的大小有关。在聚氨酯分子中,除了含有氨基甲酸酯基团外,不同的聚氨酯制品中还有酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、缩二脲、芳香环及酯链等多种基团中的一种或者几种。各个基团对分子间作用力的影响可用组分中各基团的内聚能来表示。酯基的内聚能比脂肪族烃和醚基的内聚能高;脲基和氨基甲酸酯基的内聚能高,极性大,因此,聚酯型聚氨酯的强度比聚烯烃和聚醚型聚氨酯高。聚氨酯材料的微相分离程度、结晶性与分子间和分子内的作用力有关,而这些又与组成聚氨酯的软段和硬段的种类有关,也与基团种类和密集程度有关。结果显示PU/BCN和PU/CS纳米复合材料综合性能相对于单纯PU得到明显提升,而PU/BCN更适合采用低温沉积3D生物打印的方法制备组织工程支架
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聚氨酯的化学结构示意图

 

2.2生物医用聚氨酯材料
将可降解WBPU与熔融生物3D打印技术结合,制备具有复杂结构的组织工程支架。通过采用不同类型的注射针头,调整材料的挤出速度和单丝间距,研究不同工艺参数对3D打印成型性能的影响,并对3D打印WBPU支架的细胞相容性、血液相容性与组织相容性进行综合评价。本章合成一种氨基酸改性的水性聚氨酯(WBPU),通过FTIR、HWMR、AFM、粒度和ZETA电位分析表征WBPU的化学结构和乳液性质,并研究亲水扩链剂DMPA对WBPU热性能、吸水性、表面性能、机械性能和降解性能的影响。通过对降解产物的PH值测试和细胞相容性研究来评价WBPU降解产物对细胞行为的影响,进一步将WBPU植入大鼠皮下初步评估WBPU的组织相容性。最后,在较低的温度(50-60°C)下打印具有复杂结构与形状的WBPU组织工程支架,并且在支架上培养兔软骨细胞和大鼠成纤维细胞以验证3D打印WBPU支架的细胞相容性。结果显示兔软骨细胞和大鼠成纤维细胞可以在WBPU支架上粘附和增殖,且WBPU支架不会引起溶血作用和明显的急性免疫排斥反应,具有良好的生物相容性。采用BCN、CS、SF和SP对水性聚氨酯进行功能化改性制备复合纳米水凝胶。进一步将打印成型的PU/BCN支架用于巴马香猪弹性软骨缺损修复,结果显示负载细胞的支架植入8个月后,耳软骨处有新生类弹性软骨组织形成,支架材料完全被降解吸收。
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表6-2实验设备

 

3可降解WBPU的制备及其熔融沉积3D打印..............43
3.1引言..............43
3.2实验材料及设备..............44
3.3材料制备及测试方法..............45
43D打印生物质改性PU用于弹性软骨缺损修复..............69
4.1引言..............69
4.2实验材料与设备..............70
4.3材料制备及测试方法..............70
5植入式WPU/CS缓释体系的构建与性能研究..............96
5.1引言..............96
5.2实验材料及设备..............96

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6SDF-1@PUSF可注射多孔活性支架的制备与性能研究

 

6.1引言
可注射材料的兴起为原位诱导组织再生带来了新的思路和潜在的发展空间。原位诱导组织再生是指将支架直接植入缺损部位,利用支架的理化性质和体内微环境引导细胞增殖和分化,从而实现缺损组织的再生。在不引入外源细胞和体外培养的情况下原位诱导组织再生,可以避免体外培养的干细胞出现细胞去分化和异化现象,也可避免体内移植干细胞发生肿瘤的风险。虽然原位诱导组织再生不能植入外源性细胞,但细胞尤其是干细胞在组织修复中起着不可替代的作用。大量研究证实SDF-1/CXCR4信号系统参与了BMSCS的迁移,因此基质细胞衍生因子(SDF-1)具有诱导BMSCS迁移的能力。将SDF-1引入到可注射支架材料中,构建具有干细胞募集功能的活性支架体系,有望解决原位诱导组织再生过程中干细胞的募集和捕获问题。聚氨酯泡沫塑料(PUF)具有良好的生物相容性和独特的多孔结构,已被广泛应用于医疗领域,如伤口愈合、导尿管[211,212]、体外模型、组织工程支架、胃气球手术巾等。聚氨酷泡沫塑料的生物相容性,以及其预聚物和发泡助剂混合物原位固化的能力,促进了其作为可注射组织工程支架的应用。对不同生物质改性PU材料的力学性能、降解性能、吸水性、亲水性和细胞相容性进行对比研究。

 

6.2实验材料与设备
采用比重瓶法测量样品的密度与孔隙率。本次实验利用样品的良好回弹性对操作过程加以改进,实现了对该种泡沫材料快速而准确的测定。为了使海绵吸水膨胀后仍能顺利地从比重瓶瓶N取出的同时减少偶然误差,从每个不同编号泡沫的中间最均匀部位裁剪出三块20X5X5MM的条状样品,干燥保存。首先测量样品干重,记为W。比重瓶法测有孔材料的密度时,为了确保准确性需要测出所有与外界连通的孔洞体积。考虑到海绵吸满水所需时间过长,但其具有优良的回弹性,将样品浸入装有足量去离子水的大烧杯中,缓慢用力挤压样品五次后静置3MIN让其彻底吸水与回弹。将该样品取出并缓慢从瓶口沿瓶壁滑入装有去离子水的比重瓶中,加满去离子水并去除瓶壁上附着的气泡,盖上瓶盖,见有水从瓶盖的毛细管溢出后用滤纸擦去比重瓶表面的水,使毛细管内液面与毛细管口持平,称量整个比重瓶的质量。打开瓶塞用尖头镊子夹住样品的边缘,从比重瓶中小心取出,将其一面与一张干燥的过滤纸相贴合以沾去因表面张力的作用而吸附于样品表面的多余水量。之后夹起样品再次称重,此时测得的质量记为M3。不同催化剂比例的PUSF支架的孔径分布统计结果如图6.5。

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7 结论

 

利用熔融沉积3D打印技术在50-60°C下打印具有复杂结构的1/3人耳模型和网格状组织工程支架,打印的产品保持了WBPU良好的柔韧性,能够保证其植入过程中与组织有更好的顺应性;WBPU支架降解速率可控,降解产物无细胞毒性,不会引起局部酸性产物的积累;WBPU溶血率为2.0%,兔软骨细胞和L929S可以在WBPU支架上粘附并增殖,表现出优异的血液相容性和细胞相容性;WBPU经皮下植入7D和21D不会引起明显的急性排斥反应,植入后炎症反应轻微,持续时间较短,具有良好的组织相容性。(3)分别采用BCN、CS、SF和SP改性WPU获得相应的改性PU纳米水凝胶,通过对比不同纳米水凝胶的亲水性、吸水性、力学性能、降解性能和3D打印成型性能,优选出的PU/BCN纳米水凝胶粒径分布均匀、3D打印成型性能优异、力学性能最佳,亲水性和吸水性得以明显改善。对于每个样品,泡孔采集不少于30个,因为本次采集包括了孔中孔,所以采集泡孔时要把采集范围内处于表层的所有泡孔全部纳入。泡沫的孔径由在整个范围较均匀地分布变为在小孔径处集中,之后又变为整个范围较均匀分布。从孔径分布的统计结果也可以看出,随着T9用量的增加,DBU用量的减少,孔径的大小呈现由高到低再到高的变化趋势。
参考文献(略)