復層電紡膜用于硬腦膜替代材料的研究.pdf

1、研究背景及目的：
　　由外傷、炎癥、腫瘤侵蝕粘連、手術切除或先天畸形等情況引起硬腦(脊)膜缺損在臨床上很常見,這種缺損或愈合不良可以引起很多并發(fā)癥,如腦脊液滲漏、顱內感染、腦膜炎和癲癇等,是神經外科手術中經常需要解決的一個問題。
　　傳統(tǒng)的硬腦膜替代材料中,自體組織、同種異體組織、異種組織存在取材不便或潛在病毒感染風險等缺點,近年來已較少應用,曾經使用的人工惰性材料不能體內降解,長期存留易產生慢性炎癥和排異反應。目前臨床廣泛

2、應用的硬腦膜替代材料是異體異種組織中單獨提取的活性膠原蛋白,經重組和無害化處理制成薄膜材料稱為膠原基質,它不會造成炎癥反應或異物反應,可以促進創(chuàng)面組織修復和硬腦膜新生并可以自然降解,在臨床應用中總體的效果比較滿意。但是膠原基質自身力學強度差,為腦組織提供的保護有限,硬腦膜下腔封閉不佳等缺點使術后增加了腦脊液漏的風險,限制了其廣泛的應用。近年來人工合成可降解聚合物具備了優(yōu)良的力學性能和體內可降解特性,成為組織工程材料研究的熱門,但其不足是

3、自身缺乏生物活性對創(chuàng)面愈合及自身硬腦膜的新生沒有明顯的促進作用。
　　靜電紡絲能夠簡單快速的生成納米纖維,已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一。電紡材料具有良好的超微構造,能構建類細胞外基質(ECM)結構,其相互連通的孔隙有利于細胞長入,有高度的表面體積比,擴大了與細胞的接觸面積,因此靜電紡絲技術廣泛應用于組織工程領域。
　　本研究的目的是模仿天然硬腦膜的構造,使用靜電紡絲技術制作復層結構硬腦膜替代材料,結合活性膠原與人

4、工合成可降解材料各自的優(yōu)點,在整體保留良好力學性能同時,通過分層結構讓材料的內表面減少與腦組織的粘連,中間層起到加固和防水作用,外層含有膠原成分發(fā)揮生物活性并促進組織再生。提出復層電紡膜作為硬腦膜替代材料的研究意義和應用前景。
　　研究方法：
　　1.電紡膜的制備:靜電紡絲制作不同配比的膠原、PCL和PLA電紡膜材料,根據力學性能,柔軟度和電紡穩(wěn)定性確定各層電紡膜成分構成,優(yōu)化電紡參數并制作完整的復層電紡膜修補材料。

5、　　2.電紡膜的表征及特性:掃描電子顯微鏡下觀察電紡膜的微觀形態(tài),測量纖維直徑及孔徑。測量力學性能、吸水率、孔隙率、防水性、體外降解率等,并與膠原基質進行對比測試。
　　3.電紡膜的細胞相容性及內外層結構對體外培養(yǎng)成纖維細胞功能的影響:分別在內外層材料上培養(yǎng)HSF細胞,觀察電紡膜表面的細胞生長情況,吖啶橙染色MTT檢測材料的細胞相容性;粘附實驗、定量PCR和Westernblot等方法,對比內外層上生長的成纖維細胞粘附性和分泌細胞

6、外基質等主要功能,了解內外層材料對細胞活性的影響。
　　4.電紡膜動物體內植入實驗:SD大鼠皮下植入電紡膜以驗證生物相容性,HE染色,掃描電鏡觀察電紡膜表面和內部的細胞生長情況。構建新西蘭兔硬腦膜缺損動物模型,電紡膜作為硬腦膜替代材料植入實驗,驗證材料的動物體內植入效果,HE染色觀察電紡膜內部細胞生長情況,植入部位腦組織HE染色觀察材料植入的實際效果和影響。
　　實驗結果：
　　1.通過電紡參數優(yōu)化和電紡膜力學性能測試

7、確定了復層電紡膜的構成。PLA為內層材料;PLA/PCL(1/1)電紡膜在實驗分組中擁有最大的抗拉強度,并且斷裂伸長與柔軟度較好,用于中層材料制作;6％wt膠原/PLA(4/1)電紡溶液組在保證膠原含量最大化的前提下能夠得到穩(wěn)定良好的電紡纖維,用于外層材料的制作。通過連續(xù)的分層電紡技術制作復層電紡膜,通過電紡時間控制材料的厚度,內層電紡時間2h、中層4h、外層6h,靜電紡絲完成后整個電紡膜厚度約為150~300μm。
　　2.電紡

8、膜與膠原基質在力學性能、孔隙率、吸水率、防水性上進行對比測試,電紡膜各項性能有顯著提高。
　　3.HSF細胞能夠在電紡膜內外層材料上生長并正常增值,吖啶橙染色與MTT檢測顯示在材料外層上生長的細胞增值性優(yōu)于內層和培養(yǎng)板對照;粘附實驗顯示外層材料有利于HSF細胞粘附;定量PCR和Westernblot的結果顯示在外層材料上生長的HSF細胞在分泌細胞外基質功能上優(yōu)于內層和培養(yǎng)板對照。
　　4.大鼠皮下植入電紡膜后組織細胞能夠在材

9、料內外層上貼附并生長,HE染色顯示外層材料較內層材料中有更多成纖維細胞和表皮樣細胞遷移生長入內部。構建新西蘭兔硬腦膜缺損動物模型,植入復層電紡膜替代材料術后動物恢復良好,未出現切口感染和顱內感染征象。電紡膜材料取出時內表面與腦組織無明顯粘連,材料外層則與周圍組織緊密貼合,剝離時有一定阻力;移植部位及周邊的腦組織表面顏色正常、無明顯損傷、水腫、炎性反應。電紡膜HE染色可見材料外層較內層有更多成纖維和表皮樣細胞長入其中;植入部位腦組織HE染

10、色顯示電紡膜與自身筋膜對照組沒有明顯差異,均未出現明顯炎癥反應及肉芽組織增生的痕跡。
　　結論：
　　本課題運用靜電紡絲技術制作了具有良好超微結構的復層硬腦膜替代材料,其結構模仿了天然硬腦膜,成分為內層PLA、中層50%PLA50%PCL、外層80%膠原20%PLA,三層的厚度比例約為1:2:3,總體厚度約為150~300μm。電紡膜與臨床常用的膠原基質材料對比在力學性能、吸水率、孔隙率、防水性上有明顯提高。通過在電紡膜上培