水凝胶搭载万古霉素联合3D打印钛支架促进感染性骨缺损愈合的研究

作     者：王淦 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭传刚

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：骨感染 万古霉素 水凝胶 骨组织工程材料 3D打印 

摘      要：研究背景:细菌引起的骨感染(骨髓炎)一直不易处理。临床中清创术、全身与局部抗生素治疗、坏死骨碎片以及骨移植替代物的使用是治疗的主要方法,使开发具有抗菌和个体化骨再生的生物材料成为必然。理想的生物材料需具有个体化的结构、承重应力、可生物降解和良好生物相容性防止细菌感染。3D打印技术已是基于前人研究并经过长久发展,具有潜力的工程技术,其优势在于能通过计算机模拟自然骨组织的精细尺度网状结构,可制备将功能性纳米材料、药物或细胞及细胞因子混合到生物材料中的功能性骨组织工程支架,生物多网络结构有利于营养物质运输和血管生长。使用金属衍生物制备出的骨组织工程支架还具有优秀的机械性能。研究目的:水凝胶具有高度的多孔性和渗透性,具有良好的生物相容性,能为细胞迁移、扩增和分化建立充足的局部物质环境,同时还能吸收炎症渗液减少感染。水凝胶能为3D打印的骨组织工程材料提供良好的填充和药物释放策略。聚氨基酸温敏性水凝胶具有良好的生物相容性,在4℃下为液态而在25℃为固态的水凝胶,这种温敏性能使其可被自由搭载在3D打印的多孔支架内。本研究将万古霉素负载于聚氨基酸温敏性水凝胶内,使其填充于3D打印多孔钛支架内。将复合支架植入感染性骨缺损局部,通过局部水凝胶缓慢降解逐渐释放万古霉素,保证较为持久的抗菌效果,从而满足对于感染性骨缺损的抗感染治疗要求。该方案将为日后治疗感染性骨缺损提供新思路。研究方法:本课题制备最适浓度为6wt%的生物可降解的聚氨基酸水凝胶,同时负载万古霉素(vancomycin)。并将其添加到多孔钛合金支架(Ti6Al4V)中,使用含有不同浓度的万古霉素(分别为1%、2%和3%的质量分数)进行体外实验。将复合支架与骨髓间充质干细胞(BMSCs)进行共培养,进行细胞增殖抑制实验、细胞活死染色实验和鬼比环肽染色实验评价细胞相容性。通过体外抗菌实验(抑菌圈实验、细菌增殖抑制实验和体外细菌涂板实验)来评价最适药物浓度以用于体内抗菌实验。研究中根据体外抗菌实验结果选择负载质量分数为3%的万古霉素水凝胶复合支架来进行体内实验。通过体内植入复合支架来评测对兔股骨髁感染性骨缺损修复的影响。通过对饲养4周和12周后的兔股骨髁标本进行Micro-CT扫描和组织染色评价成骨特性。研究结果:1.本研究制备聚氨基酸水凝胶并进行大鼠皮下降解实验测试其体内的生物相容性,结果示水凝胶在体内可降解50天左右,并具有良好的生物相容性。2.为了增加机械应力,本研究将聚氨基酸水凝胶载入使用3D打印技术制备的多孔钛合金支架内,增加万古霉素负载以获得抗菌能力,我们通过细胞实验观察发现样本组件未有差异,证实了复合支架具有良好的生物相容性,通过体外抗菌实验证实了复合支架对E.coli和S.aureus具有良好的抗菌性,其中3%的万古霉素添加具有更好的抗菌效果。3.为了验证复合支架在体内的抗菌效果和成骨情况,我们将添加了3%万古霉素的复合支架植入感染性骨缺损动物模型,通过Micro-CT和组织染色证实复合支架对感染性骨缺损具有良好的抗菌性和成骨效果。研究结论:本研究通过制备聚氨基酸水凝胶并将水凝胶载入使用3D打印技术制备的多孔钛合金支架内。增加万古霉素负载以获得抗菌能力,我们通过细胞实验和体外抗菌实验证实了复合支架具有良好的生物相容性并且对E.coli和S.aureus具有良好的抗菌性。体内实验中,与未负载水凝胶和万古霉素的组别相比,结果显示VH@TI支架生物相容性良好,可以有效在局部释放万古霉素并发挥体内抗菌效果,并使骨组织再生修复。