再生絲素纖維的制備及其在人工韌帶中的應(yīng)用.pdf

1、前交叉韌帶（Anterior cruciate ligament，ACL）是膝關(guān)節(jié)內(nèi)的核心結(jié)構(gòu)，對膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性起著重要作用。目前我國因運動和交通事故等造成ACL損傷的現(xiàn)象明顯增多，其損傷斷裂會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性差等問題的出現(xiàn)，嚴(yán)重?fù)p傷還會影響膝關(guān)節(jié)功能，因此我國對ACL修復(fù)材料市場需求量急劇增加。絲素蛋白（SF）因其良好的可塑性、生物相容性，可以克服早期移植物的免疫排斥反應(yīng)而成為制備生物醫(yī)用材料的理想素材。發(fā)揮再生SF纖維可降解性以及天

2、然SF纖維優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)勢，本文擬制備以SF為原料的可降解型再生SF纖維復(fù)合韌帶。
　　采用氯化鈣（CaCl2）-甲酸（FA）溶解體系在常溫下破壞原纖內(nèi)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)分纖溶解蠶絲，利用濕法紡絲、靜電紡絲技術(shù)制備再生SF纖維，探討不同溶解參數(shù)對溶液溶解性的影響以及溶液性質(zhì)對再生加工過程、纖維形貌及力學(xué)性能的影響。在此研究基礎(chǔ)上，通過體外降解和細(xì)胞培養(yǎng)實驗驗證再生SF纖維的降解性及生物相容性。該溶解體系下溶液中的原纖結(jié)構(gòu)為制備高性能再生

3、纖維提供保障，故選用再生SF長絲、靜電紡再生SF納米纖維以及天然SF纖維為原料構(gòu)建再生SF纖維復(fù)合韌帶，為開拓以SF為基材的韌帶修復(fù)材料提供新思路。
　　傳統(tǒng)溶解方法（CaCl2-C2H5OH-H2O）極大地破壞了蠶絲的原纖結(jié)構(gòu)，甚至是分子結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響了再生SF材料的性能，同時對中性鹽濃度、溶解溫度以及溶解時間的要求更高。本文采用CaCl2-FA溶解體系通過強極性離子產(chǎn)生的水化作用使纖維溶脹、體積增大，削弱了分子間氫鍵作用，可以

4、常溫條件下分纖溶解蠶絲并破壞原纖內(nèi)的β-折疊結(jié)晶結(jié)構(gòu)達(dá)到溶解蠶絲的目的。在SF溶液及干燥膜中都能清晰觀察到原纖結(jié)構(gòu)，溶液中的原纖尺寸隨CaCl2濃度、溶解溫度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢。該溶解方法能獲得粘度更高的溶液，SF在溶液中的溶解度會隨著CaCl2濃度、溶解溫度的增加而增加。此外，該溶解法制備的SF膜材料為水不溶性物質(zhì)，去離子水浸泡可以誘導(dǎo)其由無規(guī)卷曲向β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
　　溶液中的原纖結(jié)構(gòu)在濕法紡絲過程中經(jīng)過凝固浴并受到剪切作

5、用重組成纖維，以水為凝固浴、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0wt.％的SF溶液濕法紡絲，4倍牽伸后可獲得直徑為10.8±1.4μm、斷裂應(yīng)力達(dá)358.4±43.2MPa、斷裂伸長率達(dá)24.8±4.2%的SF長絲，力學(xué)性能有明顯提高。此外，水浴凝固具有對環(huán)境無污染、低成本、易操作等優(yōu)點。
　　將CaCl2-FA溶解體系獲得的SF溶液干燥成膜后溶解于甲酸得到仍保留原纖結(jié)構(gòu)的SF溶液進行靜電紡絲，采用自制滾筒收集裝置獲得取向納米纖維，并與細(xì)胞外基質(zhì)（

6、ECM）具有相似的尺寸結(jié)構(gòu)。討論不同CaCl2濃度制備得到的紡絲液、不同SF濃度對成纖性的影響，分析滾筒轉(zhuǎn)速和拉伸對纖維取向性的影響。結(jié)果表明SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0wt.%、CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0wt.%、滾筒轉(zhuǎn)速為1000rpm獲得直徑為221±20nm的纖維，1倍牽伸后纖維的斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率分別達(dá)到了18.6±3.8MPa和15.1±2.5%，纖維局部取向度明顯改善，力學(xué)性能較CaCl2-C2H5OH-H2O溶解方法的纖維有較

7、大幅度提高。
　　再生SF纖維在PBS溶液中降解相對緩慢，降解60天，SF納米纖維重量損失15%，纖維間部分出現(xiàn)粘連現(xiàn)象；SF長絲重量損失8.9%，降解只發(fā)生在纖維表面、出現(xiàn)部分裂痕。而蛋白酶XIV溶液對材料的降解能力明顯增強，降解48h時，SF納米纖維幾乎完全降解，SF長絲重量損失61.5%，纖維主體分解。取向排列的SF納米纖維較亂序納米纖維可以在短時間內(nèi)明顯促進細(xì)胞的大量生長，SF長絲和天然SF纖維也利于細(xì)胞生長粘附，具有良好

8、的生物相容性。
　　基于高性能再生SF纖維的制備，采用立式錠子編織機，以SF長絲為軸紗，天然SF纖維編織物、靜電紡SF納米纖維包裹的形式構(gòu)建再生SF纖維復(fù)合韌帶，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，斷裂強力達(dá)2581.7±23.7N，滿足人體ACL的要求。不同SF纖維在酶溶液中呈現(xiàn)出降解差異，再生SF纖維的快速降解為細(xì)胞再生提供有利的生長空間，降解速度慢、性質(zhì)穩(wěn)定的天然SF纖維支架保證了韌帶材料的力學(xué)要求，實現(xiàn)了不同材料降解速度差異化的設(shè)計要求。