载TF/ICG@ZIF-8/PLGA微球的3D打印支架的制备及抗菌性能研究

作     者：矫君君 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马宁

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：3D打印骨支架 β-磷酸三钙 智能控释 PLGA微球 感染性骨缺损 

摘      要：目的: 感染性骨缺损是一种由病原体感染引起的疾病,可造成局部组织的严重破坏并影响骨骼的再生能力,是临床治疗中亟待解决的重要问题之一。感染性骨缺损的治疗主要存在三个难点:骨缺损形状复杂、细菌感染难以控制和骨整合不足。近年来有研究发现利用生物相容性材料(如生物陶瓷,高分子材料,生物活性因子等)通过3D打印技术获得能精确匹配骨缺损形态的骨支架是治疗骨组织缺损的有效策略,但同时实现3D打印骨支架的抗菌和促进成骨是一项具有挑战性的工作。 为解决上述问题,我们制备了一种能够在近红外光(Near-Infrared,NIR)调控下智能控释促成骨药物(骨碎补总黄酮)且兼具光动力/光热力协同抗菌的多功能仿生支架,在感染及骨缺损修复过程中实现抗菌和促成骨双重功效。 方法: 1.首先将吲哚菁绿(Indocyanine green,ICG)负载于沸石咪唑骨架(ZIF-8)中制备出ICG@ZIF-8纳米粒子,再将该纳米粒子和骨碎补总黄酮(Total flavonoids of rhizoma drynariae,TF)通过复乳法制备出骨碎补总黄酮/吲哚菁绿@沸石咪唑骨架/聚乳酸-羟基乙酸共聚物(TF/ICG@ZIF-8/PLGA)微球。 2.通过观察粉末颜色、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)、粒径分析、能谱(Energy-dispersive Xray spectroscopy,EDS)分析等手段表征复合微球物相、结构等物理性质,通过计算包封率、光热及光动力测试和体外药物释放试验评估微球药物释放性能及抗菌性能。 3.将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(Poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA)和β-磷酸三钙(β-Tricalcium phosphate,β-TCP)熔融共混,利用熔融沉积成型(Fused deposition modeling,FDM)技术制备出PLGA/β-TCP(PT)支架,将支架浸入混有不同浓度(5,10,20 mg/m L)TF/ICG@ZIF-8/PLGA微球的壳聚糖溶液,制备不同TF/ICG@ZIF-8/PLGA微球负载量的复合支架PTTZ5、PTTZ10和PTTZ20。 4.利用SEM、XRD、孔隙率和吸水率对支架进行理化性能表征,通过压缩测试表征骨支架力学性能,通过SBF实验考察PTTZ(载TF/ICG@ZIF-8/PLGA微球的PLGA/β-TCP)支架的骨整合能力,通过光动力/光热测试评估PTTZ支架在近红外光照射下产生的温度变化和活性氧生成情况,通过体外药物释放试验评估有无近红外光照射下支架药物释放性能。 5.通过CCK-8和细胞活/死染色实验检测PTTZ支架的生物相容性。 6.通过菌落形成单位计数、细菌生物膜活死染色和结晶紫染色实验探究PTTZ支架在近红外光作用下对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的浮游菌及生物膜的杀灭能力,利用SEM对细菌状态进行观察。 结果: 1.成功制备出TF/ICG@ZIF-8/PLGA微球,利用SEM、EDS、XRD和UV-vis证明TF药物和ICG@ZIF-8纳米粒子成功封装,同时在合成过程中未发生物相变化。ICG@ZIF-8纳米粒子和TF在PLGA中的成功封装,使得微球在近红外光“开关作用下,实现TF药物在一定时空下的按需释放。同时TF/ICG@ZIF-8/PLGA微球能够在NIR的照射下产生稳定持久的光动力效果,避免了活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的过度释放;并且微球在NIR照射10 min内从室温升高至51℃,达到了热消融抗菌所需温度。 2.制备出线间距为1.0 mm PLGA/β-TCP支架,通过在支架上负载不同量的TF/ICG@ZIF-8/PLGA微球制备出复合支架PTTZ5、PTTZ10和PTTZ20。XRD结果表明基于TF/ICG@ZIF-8/PLGA微球的PLGA/β-TCP支架各组分均未发生物相变化,PTTZ可以实现集合所有材料的优势。机械性能测试发现PTTZ支架杨氏模量相较于PT支架略有升高,符合松质骨力学性能要求。PTTZ支架的孔隙率和吸水率随着微球负载量的增加逐渐下降,但PTTZ20仍然能保持在30%以上,符合松质骨孔隙率要求。 ***5、PTTZ10和PTTZ20骨支架均表现出良好的骨整合能力,在SBF中浸泡14天后,在微球和支架表面形成具有一定厚度的羟基磷灰石矿化层,其中PTTZ20组矿化层厚度1μm。矿化层的出现对支架及其周围骨组织的融合、骨缺损区域的骨再生效果显著,微球与支架融合产生的表面异质性和微孔结构作为PTTZ支架的结构特性,显著增强了复合支架的骨引导性。此外,PTT