高强度骨修复用甲壳素（壳聚糖）基复合水凝胶的构建及其构性关系研究

Recently, the application of chitin and chitosan based hydrogels in the bone repairing field is still in the early developing stage, their mechanical and osteocyte adhesion properties are still needed to be improved. In this project, in-situ polymerization of acrylic acid will be adopted to construct high strength chitin based composite hydrogels with double network structure, whose electronegative polyacrylic acid will be used to fix calcium ions as the reaction site for the homogenously in situ synthesis of hydroxyapatite particles. The effect of the pore size of chitin hydrogels and polymerization conditions on the structure and mechanical property will be systematically studied, the role of hydroxyapatite on the improvement of the mechanical and osteocyte adhesion properties will be revealed, and the corresponding mechanism will be clarified. On this basis, the chitin based composite hydrogels could be converted into electropositive chitosan based polyelectrolyte composite hydrogels through the deacetylation process, the effect of the deacetylation conditions on the interaction between the components, structure and property will be deeply studied. The work aims to realize the preparation of high strength and biocompatible chitin (chitosan) based bone repairing materials, solve the gradient distribution problem for the direct in situ synthesis of hydroxyapatite particles and provide a novel method and thought for the construction of polyelectrolyte composite hydrogels at the same time, showing important scientific significance and practical value.

目前，甲壳素和壳聚糖基水凝胶在骨修复领域的应用尚处在初期发展阶段，其力学和骨细胞粘附性能有待于进一步提高。本项目拟采用原位聚合丙烯酸法构建高强度双网络结构甲壳素基复合水凝胶，通过其负电性聚丙烯酸预先固定钙离子作为反应位点实现羟基磷灰石粒子均匀地原位合成，系统研究甲壳素水凝胶孔尺寸和聚合条件对其结构和力学性能的影响，揭示羟基磷灰石对其力学和骨细胞粘附性能优化的作用，并阐明相关作用机制。在此基础上，对甲壳素基复合水凝胶进行脱乙酰化处理制备正电性壳聚糖基聚电解质复合水凝胶，深入探究脱乙酰化条件对其组分间相互作用以及结构和性能的影响。本研究工作旨在实现高强度生物相容性甲壳素（壳聚糖）基骨修复材料制备，解决原位合成过程中羟基磷灰石呈梯度分布这一基础科学问题，同时为构筑聚电解质复合水凝胶提供一种新方法和思路，具有重要的科学意义和实用价值。

生物医学领域迫切需要生物可降解性材料，甲壳素等天然高分子具有良好生物相容性和可降解性，它们可被转化为水凝胶等可植入材料，进而用于骨骼等组织修复，然而新材料制备方法有待进一步探索，同时其性能亟需提高。本项目探究了构建天然高分子基生物材料新方法并研究如何利用材料复合途径优化性能策略，具体研究工作如下：.1. 探究甲壳素（壳聚糖）基生物塑料和骨钉等材料制备方法及相关机制，揭示其与羟基磷灰石间相互作用，评价所得材料性能及应用潜力。羟基磷灰石使甲壳素塑料拉伸强度由51.5 MPa提升至99.2 MPa，同时显著提高了甲壳素对成骨细胞的粘附和增殖能力，具有优良组织相容性和体内降解性，甲壳素基复合骨钉抗弯强度高达270.0 MPa，拓宽了甲壳素（壳聚糖）在骨修复领域的应用，可望为构建其它骨修复材料提供新思路；.2. 研究碱/尿素体系下壳聚糖和负电性聚丙烯酸和海藻酸或蒙脱土相互作用，探究均一或交替层状聚电解质复合水凝胶形成条件，评价相关材料性能和潜在应用。共混液中OH-离子有效限制了壳聚糖质子化作用，使其呈电中性，因而避免了静电作用导致的絮凝，成功制得均一聚电解质共混溶液，所得复合水凝胶具有显著pH和盐敏感性，为构建均一聚电解质复合水凝胶提供一种新思路。开发出新型交替层状凝胶制备新方法，不同成分凝胶层展现出对内壁细胞良好但不同粘附性。蒙脱土有效增强了壳聚糖水凝胶，其压缩强度最高可达3.18 MPa；.3. 探究在甲壳素基水凝胶中原位聚合丙烯酰胺条件以及所引入荧光物质荧光性能，并研究聚丙烯酰胺网络和荧光物质的引入对于水凝胶性能影响。甲壳素/聚丙烯酰胺复合水凝胶压缩强度高达30.3 MPa，大大提升了甲壳素水凝胶力学性能，为构建其它天然高分子基高强度水凝胶提供理论依据；.4. 研究在碱/尿素体系下纤维素和壳聚糖溶液相容性，研究纤维素对壳聚糖凝胶和膜性能的响，纤维素有效改善了壳聚糖膜力学强度；研究大豆蛋白和羟乙基纤维素共混相容性，并评价所得复合膜和海绵结构、生物相容性、降解性与应用。