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分析氧化介孔氧化硅基纳米输送系统构建与其在骨修复材料中运用

收藏本文 2024-03-07 点赞:7351 浏览:19178 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:运动、创伤和肿瘤等因素造成的骨组织损伤,严重影响着人们的身体健康和生活。研制出能够携带骨组织修复药物/生长因子,兼具有优良骨诱导活性的骨修复材料对骨组织的修复和重建具有重大的现实作用。本项探讨以具有均一孔道、较大孔容和比表面积、易于化学改性等特性及优异细胞转运性能的介孔氧化硅纳米粒子(MSNs)为基体,构建能够同时负载小分子药物地塞米松和骨形态发生蛋白(rhBMP-2)、且具有pH响应性能的硅基纳米输送系统,实现地塞米松在细胞表面的高效转运以及在细胞内的高效利用,进而与rhBMP-2协同诱导骨组织的形成;并以细胞和分子水平探讨地塞米松和BMP-2协同诱导成骨的规律和机理;在此基础上构建高活性的骨修复材料。不同粒径MSNs的制备及其生物学性能。采取溶胶-凝胶法制备出四种粒径分别为55nm、100nm、200nm和440nm的MSNs。合成的MSNs具有相同的介孔结构、相近的表面电荷和介孔孔径,且都具有较大的比表面积和孔容。体外细胞实验结果表明,制备的MSNs不仅能够通过溶酶体途径进入细胞,还能够以溶酶体中逃逸出来;100nm的MSNs细胞吞噬能力及溶酶体逃逸能力最强。四种粒径的MSNs都具有较好的生物相容性,其中200nm的MSNs细胞毒性最小。体外药物负载和释放试验表明,小分子药物地塞米松和维生素C的负载量随介孔材料的比表面积增大而增加,而大分子蛋白的负载量与纳米粒子的比表面积没有直接联系。MSNs的粒径较大,小分子药物的释放较慢,反之,粒径较小,药物释放速度较快。由于药物只是简单吸附在MSNs的表面,导致水溶性维生素C的释放速率远远大于疏水性药物地塞米松的释放速率;MSNs粒径的增加,大分子蛋白的释放速率降低。基于硼酸酯键的pH响应型MSNs载药系统的制备与性能。在MSNs和5nm的Fe304纳米粒子表面接枝多元醇和硼酸,通过多元醇和硼酸的反应将Fe304锚接在MSNs介孔孔道外侧,设计和合成了Fe3O4-capped-MSNs响应型纳米开关系统。FTIR、XRD、TEM、XPS等表征手段证明Fe304纳米粒子锚接到MSNs的表面。体外药物释放实验显示,在pH=5.0-8.0时,MSNs的孔道表面被Fe304纳米粒子覆盖,药物不能以孔道中释放出来;在pH=2.0-4.0时,由于硼酸酯键的水解,Fe304纳米粒子以MSNs的表面脱离,负载的药物以孔道中快速地释放出来。在3.0-7.0之间调节pH值,Fe304纳米粒子呈现出特点的可逆“开/关”效应,药物实现了脉冲式释放(单次少量释放)。这种药物载体具有优异的磁靶向效应和生物相容性,并且能够被MC3T3-E1细胞所吞噬。基于三氮杂金刚烷键的pH响应型MSNs载药系统的制备与性能。以pH值5.0-7.4范围内具有可逆反应的三氮杂金刚烷基团(TAA)为桥键,设计制备了pH在5.0-7.4范围内可逆可控药物传输系统(MSN-TAA-Fe304)。FTIR、XRD、TEM、EDS等表征手段证明了Fe304纳米粒子锚接到两种类型MSNs (MCM-41口SBA-15)的表面。体外药物释放实验显示,在中性环境(pH为7.4)时,合成的MCM-TAA-Fe3O4纳米复合载药系统能够有效地阻止小分子药物地塞米松的释放,而在pH为5.0-6.0时释放药物分子;并且随着pH值的变化呈现显著的pH可逆响应开关效应。合成的SBA-TAA-Fe3O4纳米复合载药系统释放牛血清白蛋白(BSA)具有相同的可逆pH响应开关效应。体外细胞培养实验表明,合成的MCM-TAA-Fe3O4和SBA-TAA-Fe3O4纳米复合载药系统,均具有很好的生物相容性和磁靶向性,可用于药物和蛋白的靶向释放。细胞实验表明,MCM-TAA-Fe3O4内米复合载药系统,能够通过溶酶体途径进入细胞质内,并可以在细胞内制约释放药物,可以作为一种理想的穿膜载药系统。地塞米松和BMP-2协同诱导成骨的规律和机理。以C2C12细胞作为模型,探讨了小分子药物地塞米松和rhBMP-2在体外协同诱导成骨分化的情况。结果表明,地塞米松能够显著提升rhBMP-2诱导的C2C12细胞碱性磷酸酶(ALP)的活性和体外矿化水平,体现出典型的协同效应,其历程具有显著的时间和浓度依赖性。蛋白印迹(western blotting)、实时反转录聚合酶链式反应(realtime RT-PCR)等探讨结果表明,地塞米松和rhBMP-2的协同作用,Smad信号分子以及信号传导子和转录激活子信号通道(STAT3)不起作用,而是通过协同提升Runx2表达的途径来推动成骨分化。双载药pH响应型壳聚糖/介孔氧化硅复合材料制备与性能。采取有机/无机复合的策略,制备出了一种能够同时控释小分子药物和BMP-2的pH响应型壳聚糖/介孔氧化硅复合材料(chi-MSNs)。通过FTIR、XRD、TEM、SEM和粒径及Zeta电位浅析,证明壳聚糖被改性到介孔硅的表面,壳聚糖封堵了介孔硅的孔道,但是对介孔硅的粒径没有显著影响。经壳聚糖表面改性的介孔氧化硅的比表面积和孔容急剧下降。体外缓释实验表明,chi-MSNs具有良好的pH响应性能,在中性环境下抑制地塞米松的释放,酸性环境(pH为6.0)下快速释放地塞米松药物分子,这种响应具有可逆性。体外rhBMP-2的负载和缓释实验表明,chi-MSNs对rhBMP-2的负载量为32.4%,并具有一定的缓释作用。细胞实验表明,chi-MSNs复合载药系统具有良好的生物相容性和诱导分化能力。体内异位成骨实验结果显示,同时负载地塞米松和rhBMP-2的chi-MSNs复合载药系统能够有效地推动骨组织的形成。关键词:介孔氧化硅论文响应型论文骨修复论文rhBMP-2论文地塞米松论文

    摘要5-7

    Abstract7-15

    前言15-17

    第一章 文献综述17-40

    1.1 骨修复材料及其活性化修饰的探讨进展17-24

    1.1.1 骨组织结构17-18

    1.1.2 骨修复材料18-19

    1.1.3 骨修复材料的活性化修饰19-20

    1.1.4 骨形态发生蛋白20-22

    1.1.5 多因子协同作用成骨22-24

    1.2 药物输送载体的探讨进展24-31

    1.2.1 药物输送载体的特点24-27

    1.2.2 智能药物输送载体的探讨进展27-29

    1.2.3 脉冲药物输送载体的探讨进展29-31

    1.3 介孔材料及其在生物材料中的运用31-38

    1.3.1 介孔材料的探讨进展31-32

    1.3.2 介孔材料的分类32-33

    1.3.3 介孔结构的形成机理33-34

    1.3.4 介孔硅基材料的合成、修饰以及表征策略34-35

    1.3.5 介孔材料在药物输送载体中的运用35-37

    1.3.6 介孔材料在骨修复材料中的运用37-38

    1.4 本课题的探讨作用、目的和主要探讨内容38-40

    1.4.1 本课题的探讨作用和目的38

    1.4.2 本课题的探讨内容38-40

    第二章 有序介孔氧化硅粒子的可制约备及性能探讨40-57

    2.1 引言40

    2.2 材料和策略40-43

    2.2.1 实验材料和试剂40-41

    2.2.2 不同粒径MSNs的合成41

    2.2.3 FITC标记的纳米介孔氧化硅的制备41

    2.2.4 材料的表征41-42

    2.2.5 磷酸盐缓冲溶液(PBS)的配制42

    2.2.6 MSNs的细胞摄取实验42

    2.2.7 流式细胞法42

    2.2.8 MSNs的细胞相容性42-43

    2.2.9 体外载药实验43

    2.2.10 体外药物释放43

    2.2.11 统计浅析43

    2.3 结果和讨论43-55

    2.3.1 合成的MSNs的表征43-47

    2.3.2 MSNs的细胞摄取和溶酶体逃逸47-50

    2.3.3 MSNs的细胞相容性50-51

    2.3.4 体外药物负载和释放51-55

    2.4 结论55-57

    第三章 pH可逆响应型纳米Fe_3O_4-介孔氧化硅纳米输送系统的探讨57-73

    3.1 引言57

    3.2 材料和策略57-60

    3.2.1 实验材料和试剂57

    3.2.2 硼酸改性的四氧化三铁纳米粒子(B-Fe_3O_4)的合成57-58

    3.2.3 溶胶-凝胶法制备介孔二氧化硅纳米粒子(MSNs)58

    3.2.4 多元醇改性的介孔二氧化硅纳米粒子(MSN-1)的制备58

    3.2.5 磁性纳米粒子封盖的介孔二氧化硅的制备58

    3.2.6 FITC标记介孔二氧化硅的制备58-59

    3.2.7 FITC标记的磁性纳米粒子封盖的介孔二氧化硅59

    3.2.8 材料的表征59

    3.2.9 体外药物释放59

    3.2.10 细胞培养59

    3.2.11 细胞毒性测试59-60

    3.2.12 细胞对FITC标记的载药系统的摄取检测60

    3.3 结果与讨论60-72

    3.3.1 材料设计与合成60-61

    3.3.2 合成材料的表征61-66

    3.3.3 体外药物释放66-69

    3.3.4 Fe_3O_4-capped-MSNs的磁性性能探讨69-70

    3.3.5 Fe_3O_4、MSNs和Fe_3O_4-capped-MSNs材料的生物相容性70-71

    3.3.6 细胞对Fe_3O_4-capped-MSNs的摄取71-72

    3.4 结论72-73

    第四章 改善型纳米磁性盖子/介孔氧化硅复合载药系统的探讨73-99

    4.1 前言73

    4.2 材料和策略73-78

    4.2.1 试验材料和试剂73

    4.2.2 三氨乙烷-3盐酸化合物的合成73-74

    4.2.3 三氮杂金刚烷化合物的合成74

    4.2.4 4-羧基苯甲醛-二甲氧基缩醛的合成74

    4.2.5 三氨乙烷改性的MCM-41型介孔二氧化硅纳米粒子制备74-75

    4.2.6 三氨乙烷改性的SBA-15型介孔二氧化硅纳米粒子的制备75

    4.2.7 羧基苯甲醛改性磁性纳米粒子的合成75-76

    4.2.8 磁性纳米粒子/MCM-41纳米复合载药系统的制备76

    4.2.9 磁性纳米粒子/SBA-15型纳米复合载药系统的制备76

    4.2.10 FITC标记磁性纳米粒子封盖的介孔氧化硅的合成76-77

    4.2.11 材料的表征77

    4.2.12 体外药物释放试验77

    4.2.13 细胞培养77-78

    4.2.14 细胞毒性测试78

    4.2.15 荧光标记的纳米复合材料的细胞吞噬探讨78

    4.2.16 纳米复合材料在细胞中的药物释放探讨78

    4.2.17 统计学浅析78

    4.3 结果与讨论78-97

    4.3.1 设计和原理78-80

    4.3.2 纳米复合载体及其历程产物的表征80-90

    4.3.3 体外药物pH响应制约释放90-91

    4.3.4 体外药物的酸触发“开关”效应91-93

    4.3.5 MCM-TAA-Fe_3O_4纳米材料及其水解产物的生物相容性93-94

    4.3.6 SBA-TAA-Fe_3O_4纳米材料及其水解产物的生物相容性94-95

    4.3.7 FITC-MCM-TAA-Fe_3O_4纳米材料的细胞摄取95-96

    4.3.8 细胞内的MCM-TAA-Fe_3O_4纳米材料的药物制约释放96-97

    4.4 结论97-99

    第五章 地塞米松协同rhBMP-2诱导C2C12细胞成骨分化的探讨99-117

    5.1 前言99

    5.2 材料和策略99-102

    5.2.1 实验材料与试剂99-100

    5.2.2 培养液的配置和消毒100

    5.2.3 细胞培养100

    5.2.4 细胞增殖(MTT法)测定100-101

    5.2.5 细胞的形态观察101

    5.2.6 碱性磷酸酶(ALP)活性测定101

    5.2.7 细胞矿化101

    5.2.8 蛋白质印迹(Western blotting)101-102

    5.2.9 实时逆转录聚合酶链反应浅析(realtime RT-PCR)102

    5.2.10 统计浅析102

    5.3 结果和讨论102-116

    5.3.1 地塞米松对C2C12细胞增殖的影响102-103

    5.3.2 地塞米松和BMP-2对碱性磷酸酶表达的协同效应浓度依赖性103-106

    5.3.3 地塞米松和BMP-2对碱性磷酸酶表达的协同效应时间依赖性106-108

    5.3.4 地塞米松和BMP-2对体外矿化的影响108-109

    5.3.5 地塞米松对BMP-2信号通路的影响109-110

    5.3.6 地塞米松对BMP-2信号传导子和转录激活子信号通道的影响110-111

    5.3.7 地塞米松和BMP-2对成骨转录因子和成骨细胞标志物表达的影响111-114

    5.3.8 地塞米松和BMP-2的协同作用模型114-116

    5.4 结论116-117

    第六章 pH响应性壳聚糖/介孔氧化硅复合载药系统负载地塞米松和rhBMP-2的协同诱导成骨分化探讨117-139

    6.1 引言117

    6.2 材料和策略117-121

    6.2.1 实验材料和试剂117-118

    6.2.2 壳聚糖/介孔硅复合载药系统的制备118

    6.2.3 材料的表征118-119

    6.2.4 体外药物释放试验119

    6.2.5 体外rhBMP-2的负载和释放试验119-120

    6.2.6 细胞培养120

    6.2.7 细胞毒性测试120

    6.2.8 材料对细胞碱性磷酸酶(ALP)活性的影响120

    6.2.9 双载药系统在体外对细胞碱性磷酸酶活性的影响120-121

    6.2.10 双载药系统在体内的诱导成骨121

    6.2.11 统计浅析121

    6.3 结果和讨论121-137

    6.3.1 材料的设计和制备121-122

    6.3.2 chi-MSNs和MSNs的粒径和Zeta电位浅析122-123

    6.3.3 chi-MSNs和MSNs的傅里叶红外光谱浅析123-124

    6.3.4 chi-MSNs和MSNs的X射线衍射浅析124-125

    6.3.5 chi-MSNs和MSNs的氮吸附-脱附曲线125-126

    6.3.6 chi-MSNs和MSNs的形貌浅析126-128

    6.3.7 地塞米松的体外释放试验128-129

    6.3.8 rhBMP-2的负载和体外释放129-132

    6.3.9 chi-MSNs和MSNs的细胞毒性浅析132

    6.3.10 chi-MSNs和MSNs材料对C2C12细胞成骨分化的影响132

    6.3.11 双载药系统对C2C12细胞ALP活性的影响132-134

    6.3.12 双载药系统诱导体内异位成骨134

    6.3.13 Micro-CT浅析134-137

    6.3.14 双载药系统的作用途径137

    6.4 结论137-139

    第七章 全文总结和探讨展望139-143

    7.1 全文总结139-141

    7.2 革新点141

    7.3 探讨展望141-143

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