甲壳素晶须复合可降解网络型聚酯生物弹性体的制备、微观结构及力学性能调控

Biomaterials for tissue engineering have made much progress in biocompatibility, but its mechanical adaptability to the tissues of body is still a key problem to be resolved. Biodegradable polyester elastomer-poly(diol citrate) (PDC) is a kind of ideal biomaterial for soft tissue scaffold. It possesses even degedation rate, linear loss of strength, high resistance to deformation, matchable mechanical properties to target tissues, designed structure and regulated mechanical properties. While, the mechanical properties of PDC can only be regulated by the monomers category and the crosslink degree. It was found the elongation at break would inevitably decrease when the strength and modulus were increased by improving the crosslink degree. In this program, the chitin whiskers will be incorporated into poly(1,8-octanediol citrate) (POC) matrix to form nanocomposites by in situ nanocomposite technique. In this system, the strength and modulus will be adjusted by chitin whiskers, which are expected to form 3D percolation structure in the matrix, and the elongation at break will be adjusted by the crosslink degree. Thus, the effective regulation of mechanical properties of POC elastomer can be realized. The relationship between the microstructures and the mechanical properties of nanocomposites will be sett up by relative characterization technique. The exploration of biomedical application for this nanocomposite elastomer will be performed by constructing tubular bioscaffold via particle leaching method.

组织工程生物材料在相容性研究方面虽然取得了很大进展，但与组织器官的力学性能适应性仍是需要解决的关键问题。可降解网络型聚酯生物弹性体－聚柠檬酸二醇酯 （PDC）因降解均匀、强度损失线性、形状保持率高、与人体许多软组织力学性能相匹配，以及结构的可设计性和性能的可调节性成为软组织工程最理想的材料之一。但是，近期申请者在对PDC的研究中发现，PDC的力学性能主要由单体种类和交联程度调节，在通过增加交联程度来提高材料强度和模量的同时，不可避免会损失材料的断裂伸长。本项目通过原位纳米复合技术将甲壳素纳米晶须引入到PDC生物弹性体当中，通过其在弹性体基体中形成三维渗漏网络结构，来提高材料的强度与模量，而由交联程度调控材料的断裂伸长，从而实现力学性能的可控调节。利用各种分析测试手段建立纳米复合材料微观结构与力学性能之间的关系，并利用粒子析出法制备纳米复合物生物支架,初步评价其在组织工程领域的应用价值。

甲壳素纳米晶须（ChiNC）是甲壳素经水解除去无定形区域后形成的一种棒状结晶纳米粒子，它既能作为增强填料改善高分子材料的力学性能，又能作为生物活性成分增强高分子材料的生物相容性，与不降解的无机填料相比，它更是制备全降解纳米复合材料的理想填料，在生物医学领域具有重要的应用价值。本项目首先将其应用于三种柠檬酸酯基可降解生物弹性体（PDC）的改性方面，研究了ChiNC对弹性体的微观结构、力学性能和生物学性能的影响，发现其对三种柠檬酸酯基生物弹性体均表现出良好的力学增强和改善生物相容性作用；并将ChiNC应用于聚柠檬酸酯基贻贝仿生组织胶粘剂上，发现晶须的加入能有效提高粘结强度；然后将其应用于聚己内酯（PCL）、聚对二氧环己酮（PDO)电纺纳米纤维膜，以及壳聚糖纤维的改性方面，发现ChiNC沿纤维长轴方向取向，使纤维获得了良好的力学增强效果，并且具备更佳的生物相容性；最后采用盐析法制备了ChiNC增强的PDC基弹性体多孔支架，此外，由于ChiNC可作为Pickering乳化剂，利用这一特点，采用冰模板法也制备得到了ChiNC增强的弹性体多孔支架，以期用于骨组织工程领域。因此，通过ChiNC与不同基体材料（如：热固性的PDC、热塑性PCL和PDO、壳聚糖、含多巴胺胶粘剂等）纳米复合的研究表明，ChiNC是一种优良的可降解生物纳米填料，对生物医用可降解高分子材料具有良好的增强作用，并且由于其来源于生物，对改善材料的生物相容性也起到了积极作用。而且对于不同的基体材料，ChiNC增强机理也尽不同。通过项目的实施，共发表研究论文10篇，授权1项发明专利，培养硕士研究生5名，完成了项目申请时设定的研究目标。