聚乳酸静电纺丝生物可降解材料的表面特征研究

孙树东,徐 峰,齐 欣,刘建国

(1.吉林大学第二临床医院骨科,吉林长春130041;2.吉林大学第一临床医院骨关节科)

聚乳酸因为无毒性、细胞相容性和可降解性[1]成为最早作为骨、软骨组织工程的支架材料,也是目前运用最为广泛的骨组织工程材料[2],但由于其生物活性较差,限制了其在医学生物材料方面的应用。本文尝试通过静电纺丝这种方法对聚乳酸材料进行改性,探讨改性后材料的表面特征,并进一步探讨通过静电纺丝导致材料表面、空间结构的变化对材料的亲水性和降解速度的影响。

1 材料与方法

1.1 主要的试剂和仪器

直流电高压发生器(北京);电纺丝接受器;超声粉碎仪(BS14-UH武汉);高分子材料接触角测定仪(德国Dataphysics);扫描电镜(JSM-6700F)(以上仪器由吉林大学高分子实验室);收集纺丝载体为1 cm×1 cm大小的载玻片(自己制作);表面活性剂(C20 H37O7SNa);二氯甲烷;聚乳酸(PLA)(吉林大学高分子实验室提供)

1.2 三种浓度聚乳酸(PLA)电纺构建具有超微结构生物材料

分别将浓度为6%、8%和10%PLA,在最佳的电纺条件[3]下进行电纺,将不同大小的硅片至于铝箔之上,将聚乳酸电纺丝收集并通过扫描电镜观察形态。戊二醛交联后备用。

1.3 三种浓度PLA电纺材料的表面形态观察和分析

通过光镜观察,粗略观察电纺丝直径,形成的电纺丝膜情况。选择液滴较少的样本进行扫描电镜观察后,通过图像软件测量各种样本的直径。通过下述公式计算支架的密度和孔隙率。支架密度计算公式(g/cm3)=电纺材料质量(mg)÷(支架的厚度μ m×面积cm2);支架的孔隙率(%)=(1-支架密度(g/cm3))÷聚乳酸密度(g/cm3));聚乳酸的密度(Mr=300 000)=289.5 mg/cm3(计算)。

1.4 三种浓度PLA生物材料接触角测量

将待测支架样本放在试样台上。3 μ l的蒸馏水喷射在支架样本上,使液体成液滴状悬垂在支架样本上。调准显微镜焦距,拍摄下液滴悬垂在支架表面的照片,通过计算机内程序计算出材料表面的接触角。每个样本取3组数据。

1.5 三种浓度PLA生物材料的降解率测定

①将无电纺丝支架的玻璃片载体(1 cm×1 cm)称重(W);②将8%的聚乳酸在其最佳电纺条件下电纺2 h,用上述的玻璃片载体收集,戊二醛交联,制备18个样本;③将普通的8%聚乳酸溶液在玻璃片载体上涂片后戊二醛交联,制备18个样本;④将上述样本低压干燥后称重(W0);⑤将上述的2组样本经过紫外线中照射30min后,将样本孵育在37摄氏度PBS(溶液中1M,PH7.2)一周一换;⑥分别在 1、2、3周更换PBS溶液时,每组取出6个样本经过蒸馏水冲洗后三次 ,低压干燥称重(Wt、t=1、2、3w);⑦用重量丢失率表示材料的降解率D=[(W0-W)-(Wt-W)]/(W0-W)。

1.6 所有数据采用SPSS 13.0统计软件分析

2 实验结果

2.1 三种浓度PLA电纺材料在扫描电镜和光镜下观察电纺结果

10%、8%、6%三种浓度的聚乳酸溶液都在相应的电纺条件下纺出电纺丝,电纺丝的直径和浓度成反比。10%浓度的PLA电纺丝直径最大,6%浓度的PLA电纺丝直径最小。8%浓度的PLA电纺丝直径较均匀,且表现出其特有的表面特征。

2.2 不同浓度的PLA静电纺丝的支架的参数

将采集的扫描电镜图片经过图像分析软件测定其平均直径、薄膜的厚度、用公式计算出相应的支架密度和孔隙率,得出在相同的电纺条件下,聚乳酸浓度对电纺支架纤维直径、支架密度和孔隙率的影响,见表1。

通过组与组间T检验结果为:电纺材料的浓度对纤维直径和支架密度影响有显著的统计学差异:10%PLA＞8%PLA＞6%PLA(P＜0.01);对支架材料的孔隙率影响有显著的统计学差异:10%PLA＜8%PLA＜6%PLA(P＜0.01)。

2.3 两种聚乳酸材料接触角测量结果

电纺聚乳酸接触角小于相对应的普通材料组(t检验,P＜0.01)。见表2。

表1 不同浓度的PLA电纺支架的参数(±s,n=6)

表1 不同浓度的PLA电纺支架的参数(±s,n=6)

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表2 两种材料的接触角测量(±s,n=8)

表2 两种材料的接触角测量(±s,n=8)

1 2 3 4 5 6 7 8 ±s普通聚乳酸 82.2 79.8 79.5 88.9 87.0 85.1 89.1 83.3 84.36±1.34电纺聚乳酸 78.7 64.2 76.4 67.5 78.1 66.9 76.5 69.1 72.18±2.06

2.4 两种材料降解率的测定

电纺聚乳酸的降解速度在1 W、2 W、3 W要低于普通聚乳酸的降解速度(P＜0.01),尤其以第三周的降解速度进一步降低。见表3。

表3 不同支架在1W、2W、3W的重量(mg)丢失的测定(±s,n=6)

表3 不同支架在1W、2W、3W的重量(mg)丢失的测定(±s,n=6)

样本降解率% 1 W 2 W 3 W PLA 0.60±0.01 1.47±0.01 2.22±0.03 PLA 电纺 0.54±0.01 1.40±0.01 1.96±0.02

3 讨论

最近的研究表明天然的骨基质是一种复杂纳米、微米结构的、三维立体多孔的细胞支持体[2],骨微结构的明确指明了骨组织工程材料设计发展的方向。骨组织工程构建理想生物材料的有效方法之一是仿生天然骨基质结构[4],为细胞粘附、增殖和分化提供最佳的环境。在天然的骨基质中结构特征方面是纳米、微米级结构,并且细胞的分化和功能高度的依赖这种微结构[5]。聚合物及其混合物的纳米、微米结构多孔材料被认为是生物工程中最前沿的生物材料应用在骨组织工程[6]。近10年来,静电纺丝被认为是一种将聚合物和无机物制作成具有高面积体积比和高孔隙率的纤维材料的简单、有效的方法[4],并适合多种聚合物[7]。更进一步的说,通过静电纺丝构建的丝状基质材料具有仿生天然骨基质纳米、微米、多孔隙的形态学特征等特点。

聚乳酸(PLA)是目前运用最为广泛的骨组织工程材料[2],已经成为电纺的热门材料。本研究成功的应用静电纺丝这种简单、有效的方法,将生物活性较差的普通聚乳酸材料构建成仿生天然骨基质胶原纤维空间结构的新型生物材料,该组材料在空间结构上由微米级的聚乳酸纤维不规则排列构成,材料内部空间具有相会贯通的微米级空隙,可以为细胞、营养液的迁移提供通道。聚乳酸的浓度对聚乳酸纤维的直径、支架的密度和材料的孔隙率均有影响:聚乳酸电纺丝的直径和支架密度与溶液的浓度成正比关系;PLA静电纺丝支架的孔隙率和电纺液的浓度成反比。其中8%聚乳酸电纺支架的纤维直径、空隙较其他两种浓度的材料均匀,0.88±0.12微米的纤维直径和72%的孔隙率也较接近天然松质骨的纤维直径和孔隙率80%[8],可以说我们的试验实现了一部分天然骨基质结构仿生的关键。

另外,接触角的测定是评估生物材料表面能和亲水性的常用方法[9],而材料的表面能和亲水性是影响和控制蛋白质和细胞与材料相互作用的重要因素,二者能够影响蛋白的吸收和材料表面蛋白的结构重排[10],因此一直以来是生物材料科学领域内备受关注的课题。接触角测量的结果看两种材料的接触角均＜90°,从材料的亲水和疏水的区分来看,所有的材料均属于亲水材料。通过我们对两种材料接触角的测量,电纺后聚乳酸材料的接触角明显小于普通聚乳酸,说明经过静电纺丝可以明显改善材料的亲水性,为材料表面的改性提出新的思路。

骨组织工程对材料的要求要有一定的强度和体内存留的时间,来保证新生骨达到强度以前对骨的负重,因此材料的降解速度是影响材料生物材料应用的重要因素。本实验研究表明电纺后的聚乳酸可以明显降低材料的降解速度,为提高其他因降解速度过快而影响支架强度的材料改性提供新的契机。

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