氣電紡蠶絲蛋白納米纖維的制備與組織工程研究.pdf

1、隨著納米技術(shù)的發(fā)展，一維納米材料的制備技術(shù)-高壓靜電紡絲技術(shù)受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。由于通過該技術(shù)得到的亞微米、納米纖維無紡織物相較生物材料的其他結(jié)構(gòu)形式，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有如下一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。①特殊的三維多孔結(jié)構(gòu)，空隙完全相互貫通，且對(duì)液體有極好的濾過性，對(duì)滿足細(xì)胞的營養(yǎng)和代謝需求具有先天的優(yōu)勢；②由于具有超過其他形式材料的比表面積，對(duì)于細(xì)胞的粘附和功能性蛋白的附著亦提供了良好的條件；③現(xiàn)在的高壓靜電紡絲工藝已經(jīng)可以制成多層、多孔、多

2、相以及中空的納米纖維，為解決生物材料有機(jī)無機(jī)相復(fù)合、梯度結(jié)構(gòu)的形成、藥物緩釋和力學(xué)強(qiáng)度不足等問題提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；④由于在幾何尺寸上與生物體內(nèi)的支持組織的微觀結(jié)構(gòu)上存在一致性，所以電紡工藝提供了一種模仿天然細(xì)胞外基質(zhì)的手段，許多學(xué)者嘗試將其作為組織工程支架材料。而四川大學(xué)紡織研究所獨(dú)創(chuàng)的氣流-高壓靜電紡絲裝置的出現(xiàn)無疑為亞微米、納米纖維的制備提供了更多的實(shí)現(xiàn)途徑。 本課題選取了具有良好力學(xué)性能和生物性能，并且來源豐富的天然生物材料

3、蠶絲作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，旨在研究蠶絲蛋白的靜電紡絲性能，獲得納米級(jí)的蠶絲蛋白纖維；并通過高壓靜電紡絲及氣流高壓靜電紡絲工藝對(duì)蠶絲纖維進(jìn)行加工，探討在兩種工藝條件下，在不同電壓、紡絲液濃度、電極間距離、氣體流量等因素的影響下，蠶絲蛋白纖維的成絲條件，探索蛋白基生物材料的電紡加工條件；同時(shí)通過對(duì)傳統(tǒng)的高壓靜電紡絲和氣流-高壓靜電紡絲的比較，進(jìn)一步明確后者的特點(diǎn)及適用范圍，為該工藝的完善和提高提供依據(jù)。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過高壓靜電紡絲工藝和氣流

4、-高壓靜電紡絲工藝均制成了納米級(jí)蠶絲蛋白纖維，纖維的平均直徑在100nm以下。通過延長噴絲時(shí)間，得到了納米級(jí)蠶絲蛋白纖維無紡布。在高壓靜電紡絲工藝中，蠶絲蛋白纖維的直徑隨紡絲電壓的升高而降低，當(dāng)紡絲液中蛋白濃度提高時(shí)纖維的直徑增加，而延長電極間的距離也同樣導(dǎo)致纖維直徑增加。同時(shí)在氣流-高壓靜電紡絲工藝中，隨著氣體流量的增加纖維的直徑逐漸降低；而且氣電紡時(shí)所得纖維間的粘連和珠粒形成要低于同等紡絲條件下的電紡組，但是在10cm紡絲距離時(shí)，該

5、特征并不明顯。在氣流-高壓靜電紡絲工藝中，電極間距離對(duì)紡絲結(jié)果的影響并不大，電極距離從10cm增加到20cm時(shí)，電紡組的纖維直徑明顯增加，而氣電紡組的纖維平均直徑?jīng)]有差異(P＞0.05)。所以在氣電紡的情況下，可以在同等電壓條件下，采用更大的紡絲距離，從而有利于延長纖維的拉伸距離，使纖維內(nèi)部分子鏈的排列更加有序，有利于改善纖維的幾何特征與力學(xué)性能。但是氣流與電場作用如何相互配合，以達(dá)到最優(yōu)的紡絲效果還有待進(jìn)一步的研究。此外，蠶絲蛋白紡絲

6、液中加入聚合物聚乙烯醇(PVA)后可以減低絲蛋白紡絲液中使用的蛋白濃度，而達(dá)到與純蛋白紡絲液相似的效果，說明可以在蛋白基生物材料中中添加其他聚合物來提高材料電紡成絲的性能，或者提高材料的幾何或力學(xué)性能。 人體多內(nèi)數(shù)細(xì)胞是貼壁細(xì)胞，細(xì)胞必須與材料發(fā)生適當(dāng)?shù)恼掣?，才能進(jìn)行鋪展、分化和增殖。無論在體外，還是體內(nèi)，直接也是最先與組織細(xì)胞相接觸并發(fā)生作用的是材料表面，因此細(xì)胞與材料表面的粘附以及隨后的鋪展和增殖對(duì)評(píng)價(jià)組織工程支架材料的性能

7、都具有相當(dāng)重要的意義。因此，本課題通過激光共聚焦顯微鏡、掃描電鏡、MTT等方法，對(duì)間充質(zhì)來源的人牙齦成纖維細(xì)胞、SD大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞、以及人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞株(ECV-304)，以及上皮來源的人口腔鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞株KB在氣電紡蠶絲蛋白超細(xì)纖維無紡織物表面的早期粘附和增殖進(jìn)行考察，希望能對(duì)該材料在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛能進(jìn)行評(píng)價(jià)。 實(shí)驗(yàn)中，除了KB細(xì)胞外，人牙齦成纖維細(xì)胞、大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞、人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞株ECV-304均對(duì)

8、電紡蠶絲蛋白無紡織物表現(xiàn)出良好的親和性。在對(duì)細(xì)胞早期粘附性進(jìn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞在材料表面4h即具備了穩(wěn)定的粘附，并有部分細(xì)胞開始在材料表面鋪展，鋪展細(xì)胞數(shù)與粘附細(xì)胞數(shù)的比率從35.78％-75.9％，顯示了電紡蠶絲蛋白纖維無紡織物良好的生物性能。人牙齦成纖維細(xì)胞、大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞、人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞株ECV-304在一周的觀察期內(nèi)，在電紡蠶絲蛋白纖維無紡織物表面均表現(xiàn)出良好的增殖活性，隨時(shí)間的延長，MTT比色值逐漸上升，且較對(duì)照組有一定