絲蛋白單-混紡納米纖維膜的制備及其誘導(dǎo)無機(jī)物的沉積.pdf

1、絲蛋白(Silk Fibroin,SF)是被研究最多的天然結(jié)構(gòu)性高分子之一,由于其良好的生物相容性和降解性,在生物材料(如醫(yī)藥縫合線、組織工程支架材料等)方向有較為廣泛的應(yīng)用前景。而靜電紡絲作為制備納米到微米級(jí)纖維的一種簡單有效的方法,可制備具有高比表面積及高的孔隙率的電紡膜,此種膜可作為高性能過濾材料、藥物載體等加以利用。本論文為避免以往絲蛋白電紡時(shí)有機(jī)溶劑的使用以及獲得具有一定力學(xué)性能的絲蛋白電紡膜,我們采用本課題組發(fā)明的方法,制備

2、了較高分子量且適合電紡的絲蛋白水溶液,通過參數(shù)的調(diào)節(jié)及優(yōu)化(如紡絲液濃度、紡絲液電導(dǎo)率、電場(chǎng)強(qiáng)度、接收距離、注射速度等),成功地實(shí)現(xiàn)了絲蛋白水溶液的靜電紡絲。所制備的絲蛋白電紡膜不僅具有形貌及尺寸的可操控性,而且具備滿意的力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率分別為11.1±0.7MPa和10.2±1.6％),為后續(xù)的應(yīng)用如生物礦化提供了良好的基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步拓展絲蛋白的應(yīng)用范圍,在成功地對(duì)單一絲蛋白水溶液電紡的基礎(chǔ)上,論文第二部分成功地制備了

3、以絲蛋白為主體的復(fù)合電紡纖維,具體講,分別將絲蛋白與聚乙烯醇(PVA)、明膠(Gelatin)和羥基磷灰石(HAP)等進(jìn)行共紡,制備了具有不同結(jié)構(gòu)的納米纖維。聚乙烯醇易溶于水,而醇處理后的絲蛋白不溶于水,對(duì)聚乙烯醇/絲蛋白進(jìn)行同軸共紡,將制備的PVA(芯部)/SF(皮層)復(fù)合纖維進(jìn)行醇處理后再水洗,即可除去水溶性的PVA(芯部),而留下不溶于水的SF(皮層)。明膠具有良好的生物相容性和生物降解性,但其水溶液在室溫下不易流動(dòng)。通常電紡明膠

4、時(shí)的溶劑為甲酸,但在制備明膠/絲蛋白復(fù)合纖維時(shí),若將明膠甲酸溶液和絲蛋白水溶液混合電紡,甲酸可能會(huì)導(dǎo)致絲蛋白降解。為此,我們將明膠甲酸溶液和絲蛋白水溶液分別裝于不同的注射器中進(jìn)行同軸共紡,盡量減少電紡時(shí)兩者的接觸時(shí)間,成功制備了具有“皮-芯”結(jié)構(gòu)的明膠/絲蛋白復(fù)合纖維膜,所制備的復(fù)合膜在皮膚、軟骨的組織工程支架材料中具有良好的應(yīng)用前景。動(dòng)物體內(nèi)以羥基磷灰石為主要化學(xué)成份的納米級(jí)針狀晶體均勻地分布在膠原蛋白基質(zhì)中,與纖維原細(xì)胞一起構(gòu)成了骨

5、骼及其組織。與膠原蛋白相類似,絲蛋白基質(zhì)具有提高纖維原細(xì)胞粘附和生長的作用,并且在一定程度上能夠誘導(dǎo)無機(jī)礦物的沉積,因此,結(jié)合羥基磷灰石和絲蛋白的優(yōu)點(diǎn),制備的羥基磷灰石/絲蛋白復(fù)合纖維,有可能在骨修復(fù)領(lǐng)域中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。論文第三部分主要研究了以絲蛋白電紡膜為模板,誘導(dǎo)無機(jī)物在其上的沉積和礦化。生物礦化即在生物體內(nèi)形成無機(jī)礦物質(zhì)的過程。在此過程中,通過特定的有機(jī)模板的調(diào)控,無機(jī)物在有機(jī)/無機(jī)界面處成核并緩慢生長,從而控制有機(jī)/無機(jī)復(fù)合

6、材料生長的形狀和最終性能。由于絲蛋白含有羧基,它可以和鈣離子發(fā)生強(qiáng)烈的螯合作用,因此絲蛋白能夠在一定程度上影響無機(jī)物的礦化。我們以力學(xué)性能良好的絲蛋白電紡膜為模板,首先對(duì)其誘導(dǎo)羥基磷灰石的礦化進(jìn)行了研究,并進(jìn)一步經(jīng)過重復(fù)電紡和礦化后,成功地制備了絲蛋白/羥基磷灰石多層復(fù)合物,這與貝殼珍珠層中的多層板狀結(jié)構(gòu)有一定的相似之處,對(duì)探索自然界的礦化過程有相應(yīng)的意義。而且,在礦化過程中,可以通過調(diào)節(jié)絲蛋白和羥基磷灰石的比例,使絲蛋白的存在能夠改善

7、羥基磷灰石的脆性,提高其韌性,這在骨骼修復(fù)領(lǐng)域具有一定的實(shí)際意義。其次,本文還考查了絲蛋白電紡膜中羥基磷灰石的含量對(duì)有機(jī)基質(zhì)誘導(dǎo)礦化的影響,分別以SF電紡膜、HAP/SF(1/20,v/v)電紡膜及HAP(芯部)/SF(皮層)電紡膜為有機(jī)基質(zhì),對(duì)其誘導(dǎo)礦化的能力進(jìn)行了探索。結(jié)果表明“皮-芯”結(jié)構(gòu)的HAP/SF電紡膜更利于礦化的進(jìn)行。最后,以絲蛋白電紡膜為模板,對(duì)其誘導(dǎo)碳酸鈣的礦化進(jìn)行了初步探索。此過程我們采用了兩種礦化體系:其一是將醇處