可注射型微纳米混合PGA纤维增强HAPLGA复合支架材料修复骨缺损

可注射型微/纳米混合PGA纤维增强HA/PLGA复合支架材料修复
骨缺损
治疗由创伤、感染、肿瘤及其他因素所导致的临界大小的骨缺损往往是困扰患者和骨科医生的一个重大的难题,通常必须进行手术治疗。

目前的外科干预措施主要依靠自体或异体骨移植,但都有一定的风险。

自体移植需要额外的手术,并有术后感染和供区并发症的风险,而同种异体
移植具有传播疾病和免疫排斥的危险。

可生物降解的合成高分子材料的不断发展,如聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)及其聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA),特别是它们与羟基磷灰石(HA)组成的复合材料,为骨组织工程的研发提供了良好的发展前景。

这些材料具有良好的生物相容性、较好的机械性能和易加工性,可以替代和修复病态或受损的骨组织。

近年来,HA/PLGA复合材料由于良好的生物降解性、
骨传导性和非致炎性吸引了大量研究的关注。

尤其是PLGA的生物降解速率可通过调节已交酯与丙交酯的比例以及聚合物的分子量进行控制。

这是一个很重要的性质,因为复合材料的降解速率应与骨重建的速度相匹配。

然而,多孔HA/PLGA材料较差的机械性能和已塑型的特点限制了其在负重骨及微创治疗中的应用。

近年来,为了提高复合材料的机械性能,纤维增强复合材料备受关注。

PGA作为一种可生物降解的脂肪族聚酯,由于其良好的生物相容性及合适的
机械性能,目前已应用到一系列的医疗活动中。

研究证实,添加PGA纤维可显著提高纤维蛋白海绵和胶原海绵的力学性能,PGA纤维的机械性能适用于松质骨的修复。

然而,以往研究使用的PGA纤维多是单尺寸的长纤维,并且这些纤维制成的复合材料均是非可注射的。

可注射的原位形成植入物(ISI)基于溶剂交换相分离的原理,具有替代传统的预成型植入物的潜力。

该复合物可以通过微创方式注入体内形成固化的植入物,能很好地填补不规则的骨缺损,大大缩短手术时间,降低病人风险,促进快速恢复。

然而,目前许多可注射的复合材料都是基于水凝胶或纳米颗粒,这些材料通常不具有应用于承重部位的力学性能。

本研究利用熔融离心纺丝法制备了棉花样、纤维直径微/纳米混合的PGA纤维,并采用纤维增强的原理,用不同质量分数的机械粉碎后的PGA短纤维
(0,30,50和70%)增强HA/PLGA复合基质,使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,成功制备了可注射型PGA/HA/PLGA三元复合材料。

首先,对可注射型复合材料的可注射性、固化速率及细胞毒性进行了研究。

同时,对固态复合支架的微观结构、热学及力学性质也进行了表征;然后,研究了复合材料的体外降解行为,对其降解过程中的大体变化、吸水率、质量损失、分子量、p H变化、孔隙率、形貌和微观结构、热学性能和力学性能进行了评估;最后,将单纯复合支架及搭载DOPA-IGF1的复合支架应用到长骨修复,通过兔桡骨缺损修复实验验证了PGA纤维增强材料的生物相容性,以及DOPA-IGF1在体内促进成骨修复中的重要作用。

通过上述研究,PGA/HA/PLGA三元复合材料早期强度高,降解速率快,成骨活性好,为负重骨修复材料提供了新的研究方向。

第一部分:可注射型PGA纤维增强HA/PLGA复合支架的制备以及表征。

熔融纺丝得到PGA纤维,纤维直径分布为70-191μm。

对复合材料的可注射性、机械强度、固化速度及细胞毒性等特点进行了研究。

在100N注射力下,所有复合材料的可注射性均合格。

通过提高PGA纤维含量,复合材料的力学性能逐渐增强。

含70%PGA纤维的复合材料的压缩强度达到31.1MPa,比无纤维组高出四倍。

在固化时间分析中,仅浸泡45min的50和70%PGA纤维含量的支架的压缩强度已达到浸泡4-5h的无纤维支架的强度。

MTT结果显示,超过70%的细胞可以在
4倍稀释的材料浸提液中存活,其细胞毒性主要集中在浸泡的前4小时。

第二部分:PGA纤维增强的HA/PLGA复合支架的体外降解研究。

随着降解的
进展,吸水率显著增加,含70%PGA纤维的复合材料的最终吸水率是初始值的3.89倍。

含70%PGA纤维复合材料的质量损失在16周时达到79.3±6.47%,是所有材
料组中最高的。

PLGA基质的分子量随着时间的推移而下降,特别是在70%PGA纤
维组。

含70%PGA纤维的复合材料的缓冲溶液p H值也是最低的。

扫描电子显微镜和显微CT结果表明,随着降解时间的延长,复合材料的孔隙率和孔径均逐渐增大。

含70%PGA纤维的复合材料的压缩强度变化最为显著,从初始的20MPa减少到16周时约1MPa。

以上结果表明,提高PGA纤维含量可以加速复合材料的体外降解。

第三部分:PGA纤维增强的HA/PLGA复合支架的体内成骨研究。

本章通过兔
桡骨缺损修复实验,对PGA纤维增强支架以及搭载DOPA-IGF1的支架的体内成骨行为进行了研究。

研究结果显示,在纯材料组中,支架的早期力学强度和降解速率决定了骨修
复的效果。

而搭载DOPA-IGF1的支架材料的骨诱导性较纯材料组明显增强。

材料搭载DOPA-IGF1的含量受支架孔隙率的影响。

综合来看,搭载生长因子
且含30或50%PGA纤维含量的支架材料的骨缺损修复效果最好。

研究结果证实了复合材料的生物降解速率与骨重建速度相匹配,进一步验证了复合支架的生物相容性、体内成骨性和生长因子搭载性,以及DOPA-IGF1在体内促进成骨修复中的重要作用。