壳聚糖/芳纶纳米纤维复合气凝胶的制备与性能研究

1.1课题背景及研究目的和意义

角膜是一种脆弱的组织，对正常的视力来说非常重要，与许多其他的组织 不同，角膜是眼睛透明的、无血管的表层，可以保护眼内组织。

角膜病是导致 眼盲的第二大原因，在世界上，致盲性眼病中仅次于白内障。机械、热或者化 学对角膜造成的损伤和微生物造成的感染经常会引起角膜功能障碍，导致透明 角膜变成灰白色。

如果及时接受有效的治疗，角膜病在早期还有治愈的机会，到了晚期，严重的角膜病可能会导致失明。全世界患有眼疾的人中，大约有一 半的患者是因为角膜问题而发生角膜病变，最后甚至失明。

患角膜疾病的人只 能借助手术的方式把病变的角膜用健康正常的供体角膜替换掉，因为角膜内皮 细胞不能自动修复。

供体角膜存在短缺、对供体角膜的需求量又很大等问题，并且在世界上很多其他的地区，由于受一些文化、宗教等因素的影响，角膜供体变得极度稀缺。

所以患有眼疾的患者都因为缺少供体角膜而不能得到有效的治疗，用在角 膜研究领域的供体角膜更是少之又少。

研究者们开始寻找供体角膜的替代物， 组织工程人工角膜开始尝试替代供体角膜来帮助患者恢复视力。

角膜裙边支架是人工角膜非常重要组成部分，良好的生物相容性，对支持、 稳定光学中心以及人工角膜有非常重要的作用。

裙边支架应呈三维网状结构， 能使宿主纤维细胞生长和宿主眼组织生长，植入体内后，这样人工角膜能与宿 主角膜吻合，以求达到一个永久性的固定。

如果组织细胞在裙边支架材料内的 生长不充分，则会出现人工角膜与宿主角膜交界处感染、损伤、坏死，甚至人工角膜脱出等状况。

因此，研制有利于组织细胞生长，形成无毒、无副作用、 无免疫原性、生物固定、生物相容性好、营养渗透性好的人工角膜裙边支架， 提高人工角膜移植术成功率，帮助千百万病人，给他们带去光明的希望。

气凝胶是具有海绵状三维网状结构的凝胶，其中的大部分液体被气体所替 代，同时保持凝胶的骨架结构不发生改变得到气凝胶。

气凝胶是一类具有多孔、 比表面大、轻质等特点的纳米结构的材料，由于具备以上优异特点，使得气凝 胶在吸附、油水分离、保温、生物医药等许多领域都展现出广阔的应用前 景。在1931年，Kistler教授首次通过分离水玻璃制备出SiO2气凝胶。

但是由于制备过程复杂，性能不佳等缺点，直到上世纪七十年代，法国研究人员将溶胶-凝胶法应用到SiO2气凝胶的制备中去，从此，气凝胶的研究工作才得到了快速的发展。

制备气凝胶的材料有很多，有机气凝胶中如纤维素基气凝胶由于来源广 泛，成本低，亲水性高，是目前研究的热点，但是这类气凝胶因为天然有机高分子的特性，在耐热性上表现不佳，温度过高就容易分解，并且在遇水后，其 力学性能大幅下降，限制了应用。

芳纶纳米纤维由于其本身的结构，有良好的 力学性能和耐热性，以芳纶纳米纤维为基体的气凝胶，在其力学性能和耐热性 上相比传统气凝胶有较大提升。

壳聚糖的加入赋予了复合气凝胶材料新的性能-抑菌性。本文除了对壳聚

糖复合气凝胶材料的孔隙率、收缩率、形貌特征测试研究，还计划着研究复合 气凝胶的生物学性能。制备的壳聚糖复合气凝胶将作为人工角膜裙边支架材料 植入人眼中，并且能够长期保存。对复合气凝胶进行常规的性能测试。

综上所述，作为一种新颖的聚合物基复合材料，在研究壳聚糖/芳纶纳米纤维复合气凝胶用作人工角膜支架材料的过程中，不仅可以完善相关聚合物基复合材料的相关理论，同时希望在这种新型复合材料在收缩率、生物学性能等方面有所突破。

此外，利用壳聚糖对芳纶纳米纤维进行改性，还可以疏松气凝胶的结构。因此，其理论和实际应用在生产生活中都具有重要意义，具有十分 广阔的研究前景。

1.2人工角膜裙边角膜支架的研究进展

组织工程学是细胞生物学和材料学相结合，在体内、体外重新构建组织或 器官的一门学科。由于组织和器官捐赠者的缺乏，导致了高死亡率，从而使得 组织工程学高速发展。

组织工程是一个旨在通过结合支架、细胞和生物分子来 制定恢复、维持或改善组织或器官功能的功能性生物替代品。“组织工程” 的概念最早是由美国国家科学基金会于1987年在华盛顿会议正式提出。

为了治愈一些由创伤或者疾病引起的在组织上、器官上的损伤，和一些功能障碍 的问题，组织工程的提出以及后续的发展为这一类问题提供了新的策略。

从那 开始，组织工程就已经开始致力于靶向替换，修复、再生患病或受损组织的健 康新组织来源。开发新的功能组织或受损组织、器官的修复，应用组织工程，将其所需的细胞和合适的生物活性因子组合在具有细微环境刺激的生物反应器产生的特定微环境中。

组织工程的原理是，在体外培养能够正常生长、 增殖的组织细胞，然后，将其种植到具有优异的生物相容性、营养渗透性的组织工程多孔支架上，并且要求其在体内可以逐步降解，形成组织细胞-人工支架复合物。

组织细胞在支架材料上无毒、抑菌，也可以在其增殖、分化，然后在受损的组织或器官处植入此人工支架复合物，使其能够在体内进一步的增殖和分化。

有良好的生物相容性，能够与植入的机体相适应，不发生免疫排斥反应，可以修复受损伤的组织或器官。

1.2.1人工角膜的概述

眼睛是人体的重要器官，它提供了视觉，允许环境作为人类响应的视觉来 呈现。角膜在保护眼睛上发挥着至关重要的作用。

角膜是位于眼球最前端的透明、无血管、有弹性的纤维膜，是眼部屈光力最大的组织，也是关键的屏障结构，可以对眼内组织起到一定的保护作用。

但同时它也是眼睛外膜中最容易受 到损害的部分，在受到一定外部冲击下，它的防护能力就会崩溃。

根据报道，我国大约有400多万人正遭受着角膜疾病的困扰，同时每年还在新增10万例 左右。角膜病是由很多种原因引起的角膜混浊，主要病因是角膜组织结构受到了严重的损伤，透明的角膜组织出现浑浊，从而导致视力模糊、衰退，更严重的甚至是失明。

目前，对于供体角膜的需求量是很大的，因为角膜内皮细 胞不能自动修复，只能通过供体角膜移植的方式来治疗修复患有角膜疾病的人。

但是由于一些特有的文化和宗教信仰等其他因素，供体角膜极度匮乏，并 且一些供体角膜上还可能存在着病毒或细菌，存在着一定的传播风险，因此人 工角膜成了现在最好的复明选择。

人工角膜，是在两个世纪前的1771年由一位以白内障手术而闻名的法国 眼科医生Guillaume Pellier首次提出，人工角膜是用人工合成的方式来合成。

是合成出一种特殊的屈光装置，用此屈光装置来替代病变后的角膜，让患者的 视力得到恢复，一半多为合成高分子材料制成。

它与人体角膜类似，具有光学和保护作用。每个人自身的患病程度不同，选择的移植厚度和面积也 就不同，这样可以使其免受供体稀缺的局限，并且可以终生使用。

角膜从结构上看，可以分为上皮层、前弹力层、基质层、后弹力层和内皮层5层是角膜的基本结构。上皮层是一种非角化鳞状上皮，是抵御外来侵犯的第一道重要防线。

上皮层具有生长迅速，结合紧密牢固，对大多数 细菌和毒素有抵抗力，被破坏后可再生的特点。前弹力层位于上皮基底膜后面，厚度约为8-14µm。

前弹力层没有弹性，是由胶原纤维组成，不能与基质层分离。破坏后会成为不透明的疤痕组织且不能再生。基质层占角膜厚度的90%，

主要是由胶原纤维、粘合物质和角化细胞组成。基质层的胶原纤维是规则的、 均匀的，纤维束呈片状，结构紧密相叠。

后弹力层是由内皮产生，为内皮细胞的分泌物，厚度约为10µm。容易从基质层脱离，是一层有弹性的透明薄膜，但没有结构，损伤后可以再生。内皮层是由单层六角形内皮细胞构成，厚度约为5µm。

受损后细胞难以再生，角膜内皮细胞屏障保护功能可以保持角膜正常的厚度和透明性，并且是极其重要的。因此角膜内皮的功能是否正常，关系 到整个角膜是否透明、是否健康。

1.2.2人工角膜裙边支架的研究现状

人工角膜在材料上的选择比较多，要符合生物相容性。生物相容性是材料 在机体的特定部位引起恰当的反应。

人工角膜的结构设计也有很多种类型，有Dohlman“领-扣”型人工角膜，Strampelli“骨-齿”型人工角膜，Cardona板 层内-穿透型人工角膜，还有报道的较多的AlphaCor“裙-核”型人工角膜和波士顿人工角膜。

根据人工角膜的功能要求将其设计成分体式结构，是 由透明的光学中心和不透明的裙边支架两部分构成。

光学中心材料需要具有较 高的透光率及较好的屈光度等优异的光学性能，裙边支架材料则要求有微孔结构，优异的机械力学性能，支撑光学中心区材料，还要有良好的生物相容性， 能够与受体角膜融合生长。

人工角膜裙边支架，是与人眼植床直接接触的部分，会影响眼部组织的生 长，目前是人工角膜研究的关键。

与光学中心区材料相比，不同的是，人工角 膜裙边支架材料不需要光学方面的相关性能，那么在选取材料上就有着比较广泛的空间。

在人工角膜研究的过程中，最突出最常见的问题就是不同材料之间 的组织相容性差，所以在材料的选取时，要求材料具有良好的生物相容性，从 而保证人工角膜在植入人眼后不发生脱落现象，还要能够长期保留。

壳聚糖具 有优异的生物相容性，并且壳聚糖还具有抑菌性等生物学性能，适合用于组织工程人工角膜支架材料的研究。