热塑性淀粉材料的改性及生物医用探索

论文摘要

淀粉是一种来源丰富的可降解型天然多糖类高分子化合物。由于其具有原料来源丰富,无毒,可降解且降解产物无毒等诸多优点,在生物材料领域具有良好的应用前景。本论文以热塑性淀粉作为主要原材料,以临床医用为目的,在特定条件下研究了高甘油含量的热塑性淀粉弹性体的老化机理及在相关体液模拟液中的降解机理,针对传统的甘油增塑的热塑型淀粉易老化,吸水性强及在体液模拟液中易崩裂,难于维持力学性能等缺陷,对其进行一系列改性（新型增塑剂共增塑、共混、酯化、交联）。此外,还针对一些特定的应用目标（诱导组织再生膜,骨修复用注射型水凝胶）制备出相关的热塑性淀粉复合材料,研究了复合材料本身的结构与性能,体外降解性能及生物相容性。此外,还对制备的可注射型骨修复用水凝胶进行了系统的体内外生物相容性评价,并通过动物实验考察了它对于颌骨修复的效果。本论文主要有以下几个方面的贡献:（1）通过高甘油含量增塑的方法制备了具备一定弹性的热塑性淀粉,首次提出该热塑性淀粉弹性体可潜在应用于软组织工程支架及治疗口腔溃疡用贴膜材料。在保存过程中发现甘油增塑热塑性淀粉（GTPS）容易发生老化,老化是影响GTPS应用的主要因素。本论文针对潜在的应用目标,研究了在人体正常体温（37℃）以及人体感觉比较舒适的相对湿度（RH,50%）条件下,高甘油含量GTPS这个复杂的三元材料体系的老化机理。首次对GTPS弹性体在血浆及唾液模拟液中的降解行为及降解机理进行了研究。研究结果表明当甘油含量高于40%（占总重）时,材料表现出弹性体性征,高甘油含量有助于抑制双螺旋结构的B-型结晶产生但有利于直链淀粉单螺旋V-型结晶结构的生成,以往有关老化机理的研究都未涉及甘油含量对单螺旋结晶生成的影响。当甘油含量高于40%（占总重）时,材料在54天内力学性能变化不大,不同测试结果均证明了高甘油含量有明显的抑制老化作用。首次提出GTPS弹性体在血浆及唾液模拟液中的降解机理。在血浆模拟液中的降解机理是典型的本体降解机理,先溶胀后降解。唾液模拟液中的降解机理是先从酶对于材料表面的侵蚀开始,由表及里逐步发生降解,降解的过程中同时伴随溶胀,前2h主要以表面降解为主,之后表面降解与本体降解同时进行。唾液模拟液中的降解速度远大于血浆模拟液中的降解速度。细胞毒性试验证明GTPS在血液模拟液中的短期浸提物及长期降解产物对L929小鼠成纤细胞的生长都无不利影响,且降解产物有促进细胞分裂的作用。该结论对于GTPS作为体内埋植材料的具有十分重要的价值。通过对GTPS在唾液模拟液中降解行为的研究,发现其表面快速降解性征非常适合作为潜在的短期伤口敷料应用于口腔溃疡的治疗中。（2）基于第一部分的研究,GTPS存在的易老化,难以在体液中维持力学和尺寸稳定性等缺陷,采用柠檬酸与甘油共同增塑淀粉（CGTPS）,深入研究了CGTPS的结构与性能。研究结果表明与传统甘油增塑的TPS相比,CGTPS具有以下特殊的结构和性质:部分酯化,低分子量以及较强的淀粉/增塑剂间相互作用。部分酯化可以防止材料的老化,在淀粉分子链上引入新的基团,从而为潜在改性提供反应位点及提高与可降解聚酯的相容性。分子量的降低可以提高材料的加工性能,调节降解速度,提高CGTPS在聚酯材料中的分散性。此外,该CGTPS材料可以通过熔融共混在短时间内方便制备。CGTPS所具有的这些特殊性质将会使其在环保材料和生物材料领域得到广泛的应用。（3）制备了厚度在0.05-0.1mm的淀粉/PVA薄膜（SP）膜,首次提出将SP膜用于诱导组织再生（GTR）技术,并针对GTR膜的要求对SP膜的力学性能、溶胀性能、血浆及唾液模拟液中的降解行为及相关生物相容性进行了研究。结果表明SP膜具备很好的亲水性和柔韧性,力学及降解速度可调性和良好的生物相容性,能够在30天内保持其完整性和力学性能稳定性,具备GTR应用要求的潜质,但仍然存在吸水率高溶胀快的缺陷,且吸水后力学性能下降迅速。因此,我们选择了柠檬酸（CA）交联法对SP膜进行了进一步改性,在140℃高温成型条件下制备出一系列不同CA（5-30wt%）含量的SP薄膜,并对其结构进行了细致的研究。发现在高温成型条件下,一部分CA能够与淀粉和PVA之间发生了酯化反应,酯化反应的发生和CA的多羧基结构又导致了体系的化学交联;此外,体系中残留的CA能起到淀粉与PVA的增塑剂作用,且与甘油相比,CA上的羧基能够与淀粉和PVA形成更稳定的氢键作用,从而有效抑制材料老化;酯化和交联还使得SP膜吸水率的下降热稳定性升高。细胞毒性试验证明CA含量在20%以内对细胞毒试验评级结果为0-1级,仍然具有良好的细胞相容性。（4）对淀粉/海藻酸钠可注射型物理水凝胶进行了6种体外及体内生物相容性评价（溶血实验、细胞毒性实验、经静脉和经口途径全身急性毒性实验、皮下埋植及骨埋植实验）。评价结果为细胞毒性分级为0-1级,不会导致急性溶血反应,无急性毒反应,有轻微皮下组织反应,无骨吸收和骨破坏现象,是一种生物相容性良好的水凝胶材料。通过添加纳米羟基磷灰石制备了淀粉/海藻酸钠/纳米羟基磷灰石复合材料,并通过动物实验观察了其在兔颌骨缺损中的修复效果,实验表明复合纳米羟基磷灰石的淀粉/海藻酸钠注射型水凝胶的修复速度、修复区骨密度、下颌骨体边缘的光滑度均优于空白或单纯使用淀粉/SA材料的修复效果,组织学显示试验侧成骨的方式是周围和中心成骨两种并存,总体来说该水凝胶具有良好的生物安全性和较好的成骨效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物材料概述
• 1.1.1 生物材料的分类
• 1.1.1.1 生物医用金属和合金
• 1.1.1.2 生物医用高分子材料
• 1.1.1.3 生物医用玻璃陶瓷
• 1.1.1.4 生物医用复合材料
• 1.1.2 生物材料的医学要求
• 1.1.3 生物相容性
• 1.2 可降解医用生物材料
• 1.2.1 高分子材料的降解机理
• 1.2.1.1 体内化学降解
• 1.2.1.2 体内生物降解
• 1.2.2 影响材料降解的因素
• 1.2.3 高分子材料降解性能的研究方法
• 1.2.3.1 降解研究方案
• 1.2.3.2 高分子材料的降解研究方法
• 1.2.4 可降解生物高分子材料的分类
• 1.2.4.1 天然可降解生物高分子材料
• 1.2.4.2 合成可降解高分子材料
• 1.2.5 可降解高分子材料的应用
• 1.2.5.1 药物控制缓释载体
• 1.2.5.2 外科手术缝合线
• 1.2.5.3 骨内固定材料
• 1.2.5.4 医用修复膜材料
• 1.2.5.5 可降解材料与组织工程
• 1.3 淀粉基材料概述
• 1.3.1 淀粉的结构
• 1.3.2 淀粉的性能
• 1.3.3 淀粉的塑化机理
• 1.3.3.1 淀粉物理增塑机理
• 1.3.3.2 淀粉化学增塑机理
• 1.3.3.3 淀粉热塑化变性机理
• 1.3.4 淀粉的应用领域
• 1.3.4.1 传统应用领域
• 1.3.4.2 新兴应用领域
• 1.4 热塑性淀粉改性研究进展
• 1.4.1 物理改性
• 1.4.1.1 与其它聚合物的共混改性
• 1.4.1.2 机械力改性
• 1.4.2 化学改性
• 1.4.2.1 接枝改性
• 1.4.2.2 衍生反应
• 1.4.2.3 小分子官能团改性
• 1.5 本课题选题依据、目的和意义及创新
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 第二章 高甘油含量热塑性淀粉在特定温度及湿度下物理老化现象研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 材料的制备与储存
• 2.3 表征方法
• 2.3.1 含水率的测定
• 2.3.2 广角X光衍射
• 2.3.3 动态力学热分析
• 2.3.4 拉伸性能测试
• 2.3.5 红外测试分析（FT-IR）
• 2.3.6 热差扫描量热分析（DSC）
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 老化过程中结晶类型及结晶度的变化
• 2.4.2 老化过程中热行为的变化
• 2.4.3 老化过程中力学性能变化研究
• 2.4.4 老化过程中氢键的变化
• 2.4.4.1 随甘油含量变化体系内氢键的变化
• 2.4.4.2 随老化时间的延长体系内氢键的变化
• 2.4.5 吸水率随时间的变化
• 2.5 本章小结
• 第三章 高甘油含量热塑性淀粉在血浆及唾液模拟液中降解行为的研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 样品的制备和保存
• 3.2.3 SBF和SSF的组成
• 3.2.4 SBF和SSF降解过程的设置
• 3.2.5 测试方法
• 3.2.5.1 物理化学结构表征
• 3.2.5.2 细胞毒性测试
• 3.2.6 成骨细胞在热塑性淀粉表面的贴壁及生长情况
• 3.2.6.1 细胞扩增
• 3.2.6.2 细胞贴附试验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 降解过程中物理和化学性能的变化
• 3.3.1.1 溶胀行为
• 3.3.1.2.降解过程中的失重
• 3.3.1.3.降解过程中表面形态的变化
• 3.3.1.4.降解过程中结晶性能的变化
• 3.3.1.5.降解过程中化学结构的改变
• 3.3.1.6.降解过程中热失重曲线的变化
• 3.3.2 材料浸提液以及降解产物对L929细胞的影响
• 3.3.3 细胞在冷冻干燥多孔材料上的贴附情况照片
• 3.4 本章小结
• 第四章 柠檬酸改性热塑性淀粉及制备低分子量淀粉的结构与性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原材料与基本配方
• 4.2.2 样品的制备
• 4.2.2.1 CGTPS的制备
• 4.2.2.2 低分子量淀粉（LS）的制备
• 4.2.3 主要设备
• 4.2.4 表征方法
• 4.2.4.1 对CGTPS结构与性能的表征
• 4.2.4.2 对LS性能的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 CGTPS的结构与性能
• 4.3.1.1 淀粉分子链化学结构的变化
• 4.3.1.2 热性能的变化
• 4.3.1.3 柠檬酸的添加对结晶结构的影响
• 4.3.2 低分子量淀粉的结构与性能
• 4.3.2.1 加工条件对分子量的影响
• 4.3.2.2 低分子量淀粉结构的表征
• 4.3.2.3 低分子量淀粉的加工性能
• 4.3.3 低分子量淀粉的塑化
• 4.3.3.1 力学性能
• 4.3.3.2 低分子量淀粉的增塑机理分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 淀粉/PVA（SP）膜在SBF及SSF中的降解行为的研究和生物相容性评价
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验原料
• 5.2.2 制备方法
• 5.2.3 降解液的配制
• 5.2.4 表征方法
• 5.2.4.1 失重率及溶胀度的测试
• 5.2.4.2 静态水接触角测试
• 5.2.4.3 力学性能测试
• 5.2.4.4 表面形态观察（SEM）
• 5.2.4.5 示差扫描量热（DSC）
• 5.2.4.6 溶血率的测试
• 5.2.4.7 细胞毒性试验
• 5.2.4.8 细胞贴附试验
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 SP膜的水接触角
• 5.3.2 SP膜的吸水性
• 5.3.3 SP膜在SBF和SSF中30天内降解和溶胀行为的研究
• 5.3.3.1 30天内的失重
• 5.3.3.2 降解过程中力学性能的变化
• 5.3.3.3 降解过程中表面形态的改变
• 5.3.3.4 降解过程中DSC曲线的变化
• 5.3.4 SP膜的溶胀行为
• 5.3.5 体外生物相容性评价
• 5.3.5.1 细胞毒性测试
• 5.3.5.2 L929小鼠成纤细胞的贴附
• 5.3.5.3 溶血率试验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 高温成型时柠檬酸对于淀粉/PVA膜的结构,性能及生物相容性的影响
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 原材料与基本配方
• 6.2.2 样品的制备
• 6.2.3 测试方法
• 6.2.3.1 红外测试分析（FTIR）
• 6.2.3.2 X射线衍射（XRD）
• 6.2.3.3 示差扫描量热（DSC）
• 6.2.3.4 热失重分析
• 6.2.3.5 溶胀度（SD）测试
• 6.2.3.6 拉伸试验
• 6.2.3.7 细胞毒性测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 CA对化学结构的影响
• 6.3.2 CA对材料热性能的影响
• 6.3.2.1 DSC测试结果分析
• 6.3.2.2 TG测试结果分析
• 6.3.3 CA的添加对溶胀度的影响
• 6.3.4 CA的添加对力学性能的影响
• 6.3.5 CA对结晶性能的影响
• 6.3.6 柠檬酸的添加对材料表面形态的影响
• 6.3.7 CA的加入对细胞毒性的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 淀粉/海藻酸钠水凝胶生物安全性评价及复合纳米羟基磷灰石的颌骨缺损修复效果
• 7.1 前言
• 7.1.1 组织工程与注射用水凝胶
• 7.1.2 材料的生物相容性评价
• 7.1.3 颌骨修复材料
• 7.1.4 本章的研究目的和研究思路
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 原料及制备
• 7.2.2 淀粉/SA水凝胶的生物相容性评价
• 7.2.2.1 细胞毒性实验
• 7.2.2.2 溶血试验
• 7.2.2.3 全身毒性试验:经口途径
• 7.2.2.4 静脉注射急性全身毒性试验
• 7.2.2.5 皮下埋置实验
• 7.2.2.6 骨埋植实验
• 7.2.3 SSH用于修复兔颌骨缺损的实验研究
• 7.2.3.1 材料和方法
• 7.2.3.2 结果
• 7.2.3.3 结果讨论
• 7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文目录
• 作者和导师简介
• 北京化工大学博士研究生学位论文答辩委员会决议书