基于diels-alder反应的多功能水凝胶的设计及其在软骨组织工程中的应用

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1、博士学位论文基于Diels-Alder反应的多功能水凝胶的设计及其在软骨组织工程中的应用作者姓名余凤学科专业材料学指导教师陈晓峰教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2015年6月DesignofMultifunctionalHydrogelBasedonDiels-AlderClickChemistryandTheirApplicationinCartilageTissueEngineeringADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorofPhilosophyCandidate：YuF

2、engSupervisor：Prof.ChenXiaofengSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TQ32学校代号：10561学号：201210102748华南理工大学博士学位论文基于Diels-Alder反应的多功能水凝胶的设计及其在软骨组织工程中的应用作者姓名：余凤指导教师姓名、职称：陈晓峰、教授申请学位级别：博士学科专业名称：材料学研究方向：生物医用材料论文提交日期：2015年4月21日论文答辩日期：2015年6月2日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月

3、日答辩委员会成员：主席：邹学农委员：陈晓峰、杜昶、任力、宁成云摘要关节软骨组织由于其特殊的生理结构，一旦损伤，几乎没有自我修复能力。同时，临床上的软骨治疗方法和技术存在局限性，并不能真正实现关节软骨组织的修复与再生。利用软骨组织工程的策略实现关节软骨修复是目前最主要的途径之一。其中，水凝胶支架由于其含水量高、与天然软骨组织的粘弹性特征相似、能够保持软骨细胞表型、可原位成型减少外科手术复杂性等多方面优势，已成为一种较为理想的软骨组织工程支架材料。新一代的软骨组织工程水凝胶材料应针对关节软骨修复过程所存在的突出问题，个性化的去设计并构建

4、，使其具有智能性和功能性，能够有效的调控细胞行为和功能，积极参与损伤组织的修复过程，而不仅仅只为细胞提供三维支撑的作用。了解组织修复过程中细胞与其三维微环境中各种物理的（几何结构、网络密度，力学参数等）和生物化学的（生长因子，活性多肽、激素药物等）各种刺激因子之间的作用机制对新一代水凝胶支架材料的设计至关重要。基于此，本论文以解决传统水凝胶在软骨组织工程应用中存在的各种问题，设计并制备了一系列具有某些特殊功能的水凝胶体系。首先，为了解决传统水凝胶力学性能差的问题，本文通过Diels-Alder点击化学法制备了网络结构完善的透明质酸/

5、聚乙二醇复合水凝胶。此水凝胶的力学性能精确可控，其中压缩模量在4kPa-70kPa内可调。同时水凝胶还具有优异的形变回复性，抗压疲劳特性，实验表明其可以承载两千次的循环力学加载过程。初步的细胞学实验证明此水凝胶具有良好的细胞相容性，但是其较长的凝胶化时间并不适合细胞原位包封。为了保证水凝胶力学性能的同时使其具有可注射性功能，本文结合Diels-Alder点击化学法和酶交联法，合成了双交联水凝胶体系。此水凝胶不仅能保持良好的抗压疲劳特性，且凝胶化时间短而可控（5min内即可成胶），是一种力学性能优异的可注射型水凝胶。细胞学实验结果表明

6、，包封在此水凝胶里的ATDC-5细胞具有良好细胞活性，细胞快速增殖。同时通过基因表达水平的检测发现，此水凝胶能有效的促进ATDC-5细胞向软骨细胞的分化，使得II型胶原和糖胺聚糖的表达显著上调。考虑到关节软骨组织的自修复能力有限，设计具有自愈合性能的水凝胶作为软骨组织工程支架材料将有望弥补这个缺点。因此，本文结合Diels-Alder点击化学法和动态化学交联酰腙键，制备了一种可注射成型的自愈合水凝胶。该水凝胶与传统的自愈合水凝胶比，不仅力学性能有明显的提高，并且具有pH敏感性。环境pH值的改变如同开关I可以打开或关闭水凝胶的部分网络

7、结构，从而调控水凝胶的交联密度和网络结构。在生理条件下，切开后的水凝胶在动态酰腙键的推动下会慢慢愈合，最终变成完整水凝胶。最后，为了个性化的构建水凝胶空间生物化学微环境，实现在三维空间上对细胞行为和功能的精确调控，本文基于Diels-Alder点击化学反应，结合紫外光刻技术，实现了水凝胶的三维空间图案功能化修饰，即成功地将RGD多肽接枝到水凝胶三维特定区域。并且通过调节紫外光的强度和曝光时间可以控制引入分子的浓度和深度。总而言之，从水凝胶的结构、性能和功能上去模拟软骨细胞天然的细胞外基质微环境，有利于关节软骨组织的再生与重建，是解决

8、关节软骨组织难修复这个世界难题的有效途径。关键词：关节软骨；水凝胶；Diels-Alder点击化学；自愈合；图案化；IIAbstractBecauseofitsspecialavascularnature,articularcarti