含絲素肽鏈的聚氨酯纖維與纖維膜.pdf

1、絲素與聚氨酯在一級結(jié)構(gòu)上都有酰胺鍵，而聚集態(tài)結(jié)構(gòu)上都表現(xiàn)為熱力學不相容的硬、軟嵌段(晶區(qū)、無定形區(qū))微相分離，且兩者也都被用作生物醫(yī)學組織工程支架材料。在廣泛、深入地分析總結(jié)了相關(guān)研究文獻報道后，發(fā)現(xiàn)全肽鏈聚氨基酸、肽鏈/非肽共聚物和全非肽聚合物被用于制備仿絲素生物材料。結(jié)合絲素與聚氨酯的結(jié)構(gòu)、性能特點和應(yīng)用領(lǐng)域的相似性，提出了制備含絲素肽鏈聚氨酯(仿絲素聚氨酯)纖維與纖維膜的合理研究假說。全文圍繞這一主旨，較為全面、系統(tǒng)地開展了以下三

2、方面的主要工作。
　　 (1)物理制備生物醫(yī)用聚氨酯/蠶絲蛋白超細粉體的共混濕紡纖維
　　 根據(jù)天然蠶絲微結(jié)構(gòu)特點，明確界定了3種含有絲素組分的不同蠶絲蛋白：未脫膠蠶絲、水不溶自然絲素、水溶性再生絲素。針對找不到合適溶劑能同時溶解合成聚氨酯和絲素的難點，采用物理研磨方法，將蠶絲制成粒徑為微米級的超細粉體，經(jīng)機械攪拌后分散到一種生物聚氨酯(PellethaneR2363-80AE)溶液，再以水為凝固浴，采用傳統(tǒng)溶液濕法紡絲

3、方法得到了織態(tài)結(jié)構(gòu)中含絲素肽鏈的直徑均約為70-110μm的聚氨酯纖維。實驗研究了3種不同蠶絲蛋白超細粉體對濕紡聚氨酯纖維力學、熱學性能和微觀形貌特征的影響。結(jié)果表明，由于形成絲素一級結(jié)構(gòu)的疏水肽片段間相互作用力構(gòu)筑成強的網(wǎng)絡(luò)，使得絲素鏈易自組裝成簇團，蠶絲蛋白超細粉體及其凝結(jié)體均被包覆在聚氨酯中。與未脫膠蠶絲蛋白和自然絲素相比，再生絲素更易于在生物醫(yī)用聚氨酯中進行有序排列和組裝，其簇團細小且分布有規(guī)則，原因是絲素再生中鹽溶過程破壞了絲

4、素分子鏈間氫鍵甚至發(fā)生降解，其對聚氨酯纖維力學、熱學性能的破壞性影響更小，由此還給出了合理推測的絲素大分子在聚氨酯中的排列組裝示意圖。
　　 (2)化學合成含絲素GAGA肽鏈的聚氨酯并確證其各層次結(jié)構(gòu)
　　 以叔丁氧羰基保護氨基酸和六亞甲基二異氰酸酯為原料，以N-甲基嗎啡啉為堿，以N，N'-二環(huán)己基碳二亞胺和N-羥基琥珀酰亞胺為復(fù)合縮合劑，采用傳統(tǒng)液相多肽合成法制備了含有絲素特征肽鏈(Ala-Gly-Ala-Gly)的化

5、合物HCl-H-Gly-Ala-Gly-Ala-HDI-Ala-Gly-Ala-Gly-H-HCl，該化合物是兩端為氨基的鹽酸鹽；接著將該化合物與等摩爾N-甲基嗎啡啉中和為雙端伯胺衍生物：最后將此雙端伯胺衍生物作為擴鏈劑，與4，4'-二苯基甲烷二異氰酸酯-聚四氫呋喃預(yù)聚物反應(yīng)，合成了含有絲素特征肽鏈的聚氨酯，即仿絲素聚氨酯。它既含有聚氨酯的經(jīng)典框架結(jié)構(gòu)，又在一級結(jié)構(gòu)主鏈中嵌有絲素所含的氨基酸殘基組成的多肽片段，屬于肽鏈/非肽共聚物仿絲素

6、生物材料范疇。
　　 定性和定量結(jié)構(gòu)分析表明，與對照組比較，仿絲素聚氨酯中碳、氮元素含量更傾向于蠶絲所含化學元素的百分比，其裂解氣相色譜/質(zhì)譜解析產(chǎn)物中有更高含量的酰胺鍵。核磁共振氫譜信號、紅外吸收特征峰、拉曼位移、紫外-可見光吸收光譜最大吸收峰等均得到明確合理指認。特性粘數(shù)測試與凝膠滲透色譜結(jié)果表明，兩種方法測得的相對分子質(zhì)量數(shù)值較為接近且服從Mn

7、MA和WAXD譜圖均顯示其具有微相分離結(jié)構(gòu)。軟段質(zhì)量分數(shù)30.2％，玻璃化溫度-37.0℃；硬段質(zhì)量分數(shù)69.8％，玻璃化溫度20.8℃。熔點37.9℃，熱分解溫度385℃。與對照組比較，仿絲素聚氨酯的微相分離程度較低，因肽鍵密度仍很低，其圓二色譜未發(fā)現(xiàn)有折疊構(gòu)象信號。
　　 (3)制備含絲素GAGA肽鏈的聚氨酯電噴紡纖維膜
　　 研究了仿絲素聚氨酯溶液的流變性能(含穩(wěn)態(tài)剪切流動和動態(tài)擺動流動)，經(jīng)靜電噴射和紡絲后獲得纖

8、維膜材料，進行了表面微觀形貌觀察和性能測試。結(jié)果表明，仿絲素聚氨酯溶液具有剪切變稀性質(zhì)，非牛頓指數(shù)小于1，為非牛頓假塑性流體。隨著溶液濃度增加，靜電噴紡可依次獲得“珠狀顆粒”、“線上串珠”、“非織纖維”等形貌的纖維膜；軟段暗區(qū)則依次呈棒狀、細小纖維狀、獨立片狀分散在硬段微區(qū)。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)與性能研究，以及在模擬體液中進行的體外生物實驗初步結(jié)果，認為仿絲素聚氨酯纖維與纖維膜材料具有人造血管、人造皮膚、手術(shù)縫線及創(chuàng)面敷料等生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用潛