細菌纖維素基電活性組織工程材料的制備與性能研究.pdf

1、細菌纖維素(BC)是由特定微生物分泌的纖維素納米纖維(30-80nm)，具有高結(jié)晶度（達95％）、高聚合度(DP值2000-8000)、超精細網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高彈性模量和高抗張強度、可調(diào)控性、很強的持水能力、良好的柔性、生物相容性及生物可降解性等特點。這些優(yōu)異的性能使細菌纖維素在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，尤其有望成為一種優(yōu)異的柔性組織界面材料。然而，BC納米纖維組分單一，難以滿足組織工程領(lǐng)域?qū)Σ牧闲再|(zhì)的多樣性需求，特別地，BC的生物電活

2、性差，無法用于電活性的組織工程材料領(lǐng)域。近年來，柔性神經(jīng)電極為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供了新的技術(shù)手段，因此，開發(fā)出高生物電活性的柔性納米材料在組織工程領(lǐng)域具有十分重要的應用價值。本文研究了BC基的柔性電活性組織工程材料的改性和復合方法，探討導電復合材料的微觀結(jié)構(gòu)特點和理化性質(zhì)，探索了柔性復合材料的電刺激細胞行為和電控藥物釋放規(guī)律;結(jié)果表明，BC基導電復合材料同時具有納米結(jié)構(gòu)和三維網(wǎng)絡特點，能為組織工程中細胞生長和營養(yǎng)物質(zhì)的快速傳輸提供足夠

3、空間，既能通過納米結(jié)構(gòu)效應調(diào)控細胞生長狀況，又可通過其優(yōu)良的電活性和柔韌特性施加電刺激，調(diào)控細胞行為，有望進一步用于電刺激組織治療，加速組織修復，為發(fā)展新型柔性神經(jīng)電極提供了良好的技術(shù)和理論支持。具體內(nèi)容如下:
　　(1)細菌纖維素/導電聚合物復合材料的制備及其電極-細胞界面性能研究
　　以無水三氯化鐵為氧化劑，通過導電聚合物單體在細菌纖維素納米纖維表面原位聚合制備三維細菌纖維素/聚（3，4-乙撐二氧噻吩）(BC/PEDOT

4、)納米復合材料。首先以在BC納米纖維表面均勻包覆PEDOT導電層的方式，制備電性能可控、結(jié)構(gòu)可調(diào)的三維納米導電纖維。之后通過MTT測試、細胞死活染色和免疫熒光化學等細胞毒性實驗證實了所制備的材料具有良好的生物相容性，同時PC12細胞的鈣熒光成像實驗證實了其在電極－細胞界面良好的電活性。因此，所制備的三維BC/PEDOT納米纖維在神經(jīng)修復、植入生物傳感、微電子器件和電控藥物釋放等組織工程領(lǐng)域具有廣闊的的應用前景。
　　(2)PSS摻

5、雜的BC/PEDOT導電納米材料的制備及其生物相容性評價
　　以聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)摻雜的方式研究PSS摻雜對BC/PEDOT電性能、機械性能和生物相容性的影響。所制備的導電復合材料以BC為軟模板，PEDOT為導電包覆層，PSS為離子摻雜劑，制備過程簡單可控，并且其結(jié)構(gòu)、尺寸和電導率可以很容易的由聚合時間和溫度以及PSS摻雜量來控制。采用傅里葉變換紅外光譜、熱重分析和X射線光電子能譜等對材料的化學結(jié)構(gòu)進行了表征，利用掃描電子顯

6、微鏡觀察了其三維微觀形態(tài)。我們在BC/PEDOT/PSS納米纖維上培育間充質(zhì)干細胞，并研究其增殖和細胞形態(tài)學方面的變化。結(jié)果表明，合適劑量PSS摻雜的BC/PEDOT納米纖維有良好的生物相容性。該材料通過在材料與細胞之間提供一個很好的三維微環(huán)境來促進細胞的生長，有望成為一種優(yōu)良的電活性組織工程材料。
　　(3)GO修飾的BC/PEDOT導電納米材料的制備及細胞表界面性能研究
　　通過氧化石墨烯(GO)在BC/PEDOT納米纖

7、維上靜電吸附的方式構(gòu)筑了一種新型的組織工程生物表界面。結(jié)果表明，在增強材料的彈性以及柔性的同時，GO能作為BC復合納米纖維的一種有效修飾成分，進一步增強了電流對PC12細胞的刺激效果?；谄洫毺氐募{米片層結(jié)構(gòu)特點和表面具有的豐富羧基和羥基等富氧官能團，所構(gòu)筑的BC/PEDOT/GO復合膜具有較好的化學活性。本研究證實該BC/PEDOT/GO復合材料能有效調(diào)節(jié)細胞取向和促進細胞分化，因而其在生物醫(yī)用和再生醫(yī)藥等領(lǐng)域具有較好的潛在應用價值。

8、
　　(4)細菌纖維素/導電聚合物雜化微纖維的制備及其用于電控藥物釋放和細胞培養(yǎng)
　　借助微流共紡裝置和一步浸涂的方式制備了BC/PEDOT導電核殼微纖維。該微纖維具有可控的幾何形貌和規(guī)整的微觀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出了增強的機械性能。之后我們以雙氯芬酸鈉為藥物模型的方式研究該導電微纖維在電刺激下對藥物的釋放行為。研究結(jié)果證明藥物在電刺激下能加速釋放，且速度可控。以PC12細胞為模型細胞，發(fā)現(xiàn)該材料具有優(yōu)異的生物相容性和電活性。因此，該

9、BC/PEDOT雜化微纖維在神經(jīng)修復、血管再生、肌肉重構(gòu)等生物技術(shù)和生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣泛的潛在應用價值。
　　(5)細菌纖維素/石墨烯三維仿生支架的制備及用于神經(jīng)干細胞增殖研究
　　通過在微生物發(fā)酵的過程中加入三維石墨烯材料的方法制備細菌纖維素/石墨烯（3D-G/BC）三維導電復合材料，用于神經(jīng)干細胞的培養(yǎng)。三維石墨烯通過化學氣相沉積法制備，在復合材料中起骨架作用，能為細胞的生長分化提供良好的空間，復合材料中BC納米纖維可模

10、擬細胞外基質(zhì)，促進干細胞的增殖。結(jié)果表明，所制備的復合材料顯著促進神經(jīng)干細胞的增殖。通過在所制材料上的分化神經(jīng)干細胞電刺激實驗，發(fā)現(xiàn)3D-G/BC能夠和神經(jīng)細胞形成良好電耦合，通過石墨烯傳遞的電脈沖能夠誘導細胞內(nèi)鈣離子濃度顯著變化。因此，該材料有望成為一種潛在的神經(jīng)支架材料。
　　綜上所述，我們研究了BC基柔性導電復合材料的制備方法，并評估了其作為生物電極在對細胞行為的影響，結(jié)果證明其有望成為一種新型的柔性神經(jīng)界面材料，在神經(jīng)修復