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丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架的结构及其性能研究

沈锦玉  
【摘要】: 丝素蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白,富含18种氨基酸,是一种天然高分子材料,无毒性、无污染、无刺激作用、可生物降解,与人体具有良好的生物相容性。丝素蛋白作为一种生物医用纺织材料,在生物医学领域的应用日趋广泛和深入,近年来已成为组织工程支架材料研究的对象之一。本课题以医学应用为背景,选择对软骨组织工程种子细胞具有优良生物相容性的丝素蛋白作为有机相,尝试采用具有良好骨诱导性的β-硅酸钙作为无机相进行复合,制备丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架,并对其结构与性能进行了研究,为拓展丝素蛋白多孔材料在人体骨修复等组织工程中的应用做了一些基础性研究和探讨。 本课题的主要工作内容及结论如下: 1.通过控制条件采用共混-冷冻干燥法制备了高分子与无机材料复合的丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架。 2.采用SEM、FTIR、XRD等分析手段表征丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架的表面形貌、多孔结构以及孔内壁的显微结构,探讨无机β-硅酸钙对丝素蛋白构象的影响。结果如下: (1)SEM表明采用冷冻干燥法制备的丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架材料,孔隙分布均匀,孔连通性较好,孔隙率为83~87%,孔径尺寸约为100~300μm,复合支架的结构保持完好,β-硅酸钙较好的分散在丝素中,形成无机粒子嵌入式有机/无机网络结构,在孔壁上呈均匀分散状态。 (2)由XRD、FTIR测试表明:无机β-硅酸钙的引入,有利于诱导丝素蛋白构象从Silk I(无规线团为主)向Silk II(β-折叠)转变。由于丝素蛋白分子中-COOH或-OH基团与β-硅酸钙在水溶液中形成的硅羟基形成强弱不等的分子间氢键,同时与β-硅酸钙在丝素溶液中释放出的微量Ca~(2+)形成络合结构,这些因素的共同影响,导致丝素分子重排,使丝素分子从无序状态转变为有序排列,促进了丝素蛋白的二级结构部分由无规向β折叠结构转变。 3.测试了丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架材料的机械性能、热学性能、吸水率和亲水性能等,探讨了β-硅酸钙的加入,对复合支架性能的影响。结果如下: (1)机械性能测试表明:纯丝素支架材料机械性能较差,相比纯丝素支架,复合支架的抗压模量和抗压强度均有了明显提高,并且随β-硅酸钙复合质量比的增加而增大,显示了较好的机械性能。 (2)TGA和DTG热分析表明:不同比例复合支架的起始分解温度都比纯丝素支架有所提高,这主要是因为β-硅酸钙的加入在很大程度上影响了复合支架中丝素蛋白构象转变和结晶行为,从而使得丝素蛋白/β-硅酸钙复合支架的热稳定性增加。 (3)吸水率和亲水性能的测试表明:丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架的吸水率和亲水性均比纯丝素多孔支架好,复合多孔支架能较多地存储水分,持水性能得到了提高。由于具有良好亲水性能的β-硅酸钙在水溶液中形成的亲水基团与水分子有着较好的结合,一定程度上改善了复合多孔支架的吸水率和亲水性。 4.对丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架材料进行人体模拟体液(SBF)浸泡实验、Tris-HCl缓冲液体外降解和体外细胞培养试验,研究了其体外生物活性、降解性能和生物相容性。结果如下: (1)SBF体外生物活性实验表明:采用XRD、FESEM和EDS等手段表征后发现,丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架在SBF中浸泡1天后,就能快速诱导碳酸羟基磷灰石(CHA)在其支架表面沉积,浸泡3天后已有大量CHA颗粒层在支架表面沉积,这种磷灰石在形态上具有与天然骨中羟基磷灰石相似的结构。结果显示该复合支架具有良好的体外生物活性,改善了纯丝素支架生物活性较弱的缺点。 (2)Tris-HCl缓冲液降解实验表明:丝素蛋白/β-硅酸钙复合支架材料在Tris-HCl缓冲液中浸泡10周后的降解率达41.64%,pH值保持为7.35,避免了纯丝素的酸性降解产物所导致的溶液pH值急剧降低的现象,表明了该复合支架具有良好的可降解性。 (3)生物相容性实验表明:成骨细胞在各种配比的丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架上表现出了比纯丝素支架更好的粘附、增殖效果和碱性磷酸酶活性,这可能是由于复合多孔支架中的β-硅酸钙在一定范围内对细胞的增殖分化产生促进作用。通过试验显示了丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架具有良好的生物相容性。 以上结果显示,本文采用共混-冷冻干燥的方法制备的丝素蛋白/β-硅酸钙复合多孔支架,具有较好的形态结构和机械性能、显示了良好的亲水性、降解性、生物活性和生物相容性。该复合多孔支架不仅可以调节力学性能使之与骨组织相匹配,而且还可以增强丝素蛋白与骨组织键合的能力,这为拓宽丝素蛋白在骨组织修复等生物医领域的应用打下了一定的理论基础并提供了较好的思路和方法。


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