細(xì)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(xì)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(dá)95％）、高聚合度(DP值2000-8000)、超精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高彈性模量和高抗張強(qiáng)度、可調(diào)控性、很強(qiáng)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(diǎn)。這些優(yōu)異的性能使細(xì)菌纖維素在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(yīng)用價(jià)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(fù)合方法，探討導(dǎo)電復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和理化性質(zhì)，探索了柔性復(fù)合材料的電刺激細(xì)胞行為和電控藥物釋放規(guī)律;結(jié)果表明，BC基導(dǎo)電復(fù)合材料同時(shí)具有納米結(jié)構(gòu)和三維網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，能為組織工程中細(xì)胞生長(zhǎng)和營(yíng)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(yīng)調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)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(xì)胞行為，有望進(jìn)一步用于電刺激組織治療，加速組織修復(fù)，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(xì)菌纖維素/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的制備及其電極-細(xì)胞界面性能研究
　　以無水三氯化鐵為氧化劑，通過導(dǎo)電聚合物單體在細(xì)菌纖維素納米纖維表面原位聚合制備三維細(xì)菌纖維素/聚（3，4-乙撐二氧噻吩）(BC/PEDOT

4、)納米復(fù)合材料。首先以在BC納米纖維表面均勻包覆PEDOT導(dǎo)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(dǎo)電纖維。之后通過MTT測(cè)試、細(xì)胞死活染色和免疫熒光化學(xué)等細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所制備的材料具有良好的生物相容性，同時(shí)PC12細(xì)胞的鈣熒光成像實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其在電極－細(xì)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(fù)、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(yīng)用前景。
　　(2)PSS摻

5、雜的BC/PEDOT導(dǎo)電納米材料的制備及其生物相容性評(píng)價(jià)
　　以聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)摻雜的方式研究PSS摻雜對(duì)BC/PEDOT電性能、機(jī)械性能和生物相容性的影響。所制備的導(dǎo)電復(fù)合材料以BC為軟模板，PEDOT為導(dǎo)電包覆層，PSS為離子摻雜劑，制備過程簡(jiǎn)單可控，并且其結(jié)構(gòu)、尺寸和電導(dǎo)率可以很容易的由聚合時(shí)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(duì)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)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?cè)贐C/PEDOT/PSS納米纖維上培育間充質(zhì)干細(xì)胞，并研究其增殖和細(xì)胞形態(tài)學(xué)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(xì)胞之間提供一個(gè)很好的三維微環(huán)境來促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)，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(dǎo)電納米材料的制備及細(xì)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(qiáng)材料的彈性以及柔性的同時(shí)，GO能作為BC復(fù)合納米纖維的一種有效修飾成分，進(jìn)一步增強(qiáng)了電流對(duì)PC12細(xì)胞的刺激效果。基于其獨(dú)特的納米片層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和表面具有的豐富羧基和羥基等富氧官能團(tuán)，所構(gòu)筑的BC/PEDOT/GO復(fù)合膜具有較好的化學(xué)活性。本研究證實(shí)該BC/PEDOT/GO復(fù)合材料能有效調(diào)節(jié)細(xì)胞取向和促進(jìn)細(xì)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(yīng)用價(jià)值。

8、
　　(4)細(xì)菌纖維素/導(dǎo)電聚合物雜化微纖維的制備及其用于電控藥物釋放和細(xì)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(dǎo)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(qiáng)的機(jī)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(dǎo)電微纖維在電刺激下對(duì)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(xì)胞為模型細(xì)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(fù)、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(yīng)用價(jià)值。
　　(5)細(xì)菌纖維素/石墨烯三維仿生支架的制備及用于神經(jīng)干細(xì)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(xì)菌纖維素/石墨烯（3D-G/BC）三維導(dǎo)電復(fù)合材料，用于神經(jīng)干細(xì)胞的培養(yǎng)。三維石墨烯通過化學(xué)氣相沉積法制備，在復(fù)合材料中起骨架作用，能為細(xì)胞的生長(zhǎng)分化提供良好的空間，復(fù)合材料中BC納米纖維可模

10、擬細(xì)胞外基質(zhì)，促進(jìn)干細(xì)胞的增殖。結(jié)果表明，所制備的復(fù)合材料顯著促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖。通過在所制材料上的分化神經(jīng)干細(xì)胞電刺激實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3D-G/BC能夠和神經(jīng)細(xì)胞形成良好電耦合，通過石墨烯傳遞的電脈沖能夠誘導(dǎo)細(xì)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(dǎo)電復(fù)合材料的制備方法，并評(píng)估了其作為生物電極在對(duì)細(xì)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(fù)