絲素蛋白-β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架的結(jié)構(gòu)及其性能研究.pdf

1、絲素蛋白是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，富含18種氨基酸，是一種天然高分子材料，無毒性、無污染、無刺激作用、可生物降解，與人體具有良好的生物相容性。絲素蛋白作為一種生物醫(yī)用紡織材料，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛和深入，近年來已成為組織工程支架材料研究的對象之一。本課題以醫(yī)學(xué)應(yīng)用為背景，選擇對軟骨組織工程種子細(xì)胞具有優(yōu)良生物相容性的絲素蛋白作為有機(jī)相，嘗試采用具有良好骨誘導(dǎo)性的β-硅酸鈣作為無機(jī)相進(jìn)行復(fù)合，制備絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合

2、多孔支架，并對其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了研究，為拓展絲素蛋白多孔材料在人體骨修復(fù)等組織工程中的應(yīng)用做了一些基礎(chǔ)性研究和探討。
　　 本課題的主要工作內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　 1．通過控制條件采用共混-冷凍干燥法制備了高分子與無機(jī)材料復(fù)合的絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架。
　　 2．采用SEM、FTIR、XRD等分析手段表征絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架的表面形貌、多孔結(jié)構(gòu)以及孔內(nèi)壁的顯微結(jié)構(gòu)，探討無機(jī)β-硅酸鈣對絲素蛋

3、白構(gòu)象的影響。結(jié)果如下：
　　 (1)SEM表明采用冷凍干燥法制備的絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架材料，孔隙分布均勻，孔連通性較好，孔隙率為83～87％，孔徑尺寸約為100～300μm，復(fù)合支架的結(jié)構(gòu)保持完好，β-硅酸鈣較好的分散在絲素中，形成無機(jī)粒子嵌入式有機(jī)/無機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在孔壁上呈均勻分散狀態(tài)。
　　 (2)由XRD、FTIR測試表明：無機(jī)β-硅酸鈣的引入，有利于誘導(dǎo)絲素蛋白構(gòu)象從SilkⅠ（無規(guī)線團(tuán)為主）向Si

4、lkⅡ（β-折疊）轉(zhuǎn)變。由于絲素蛋白分子中-COOH或-OH基團(tuán)與β-硅酸鈣在水溶液中形成的硅羥基形成強(qiáng)弱不等的分子間氫鍵，同時與β-硅酸鈣在絲素溶液中釋放出的微量Ca2+形成絡(luò)合結(jié)構(gòu)，這些因素的共同影響，導(dǎo)致絲素分子重排，使絲素分子從無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺帕?，促進(jìn)了絲素蛋白的二級結(jié)構(gòu)部分由無規(guī)向β折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
　　 3．測試了絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架材料的機(jī)械性能、熱學(xué)性能、吸水率和親水性能等，探討了β-硅酸鈣的加入，

5、對復(fù)合支架性能的影響。結(jié)果如下：
　　 (1)機(jī)械性能測試表明：純絲素支架材料機(jī)械性能較差，相比純絲素支架，復(fù)合支架的抗壓模量和抗壓強(qiáng)度均有了明顯提高，并且隨β-硅酸鈣復(fù)合質(zhì)量比的增加而增大，顯示了較好的機(jī)械性能。
　　 (2)TGA和DTG熱分析表明：不同比例復(fù)合支架的起始分解溫度都比純絲素支架有所提高，這主要是因?yàn)棣?硅酸鈣的加入在很大程度上影響了復(fù)合支架中絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變和結(jié)晶行為，從而使得絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合

6、支架的熱穩(wěn)定性增加。
　　 (3)吸水率和親水性能的測試表明：絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架的吸水率和親水性均比純絲素多孔支架好，復(fù)合多孔支架能較多地存儲水分，持水性能得到了提高。由于具有良好親水性能的β-硅酸鈣在水溶液中形成的親水基團(tuán)與水分子有著較好的結(jié)合，一定程度上改善了復(fù)合多孔支架的吸水率和親水性。
　　 4．對絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架材料進(jìn)行人體模擬體液(SBF)浸泡實(shí)驗(yàn)、Tris-HCl緩沖液體外降解

7、和體外細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了其體外生物活性、降解性能和生物相容性。結(jié)果如下：
　　 (1)SBF體外生物活性實(shí)驗(yàn)表明：采用XRD、FESEM和EDS等手段表征后發(fā)現(xiàn)，絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架在SBF中浸泡1天后，就能快速誘導(dǎo)碳酸羥基磷灰石(CHA)在其支架表面沉積，浸泡3天后已有大量CHA顆粒層在支架表面沉積，這種磷灰石在形態(tài)上具有與天然骨中羥基磷灰石相似的結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示該復(fù)合支架具有良好的體外生物活性，改善了純絲素支架生

8、物活性較弱的缺點(diǎn)。
　　 (2)Tris-HCl緩沖液降解實(shí)驗(yàn)表明：絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合支架材料在Tris-HCl緩沖液中浸泡10周后的降解率達(dá)41.64％，pH值保持為7.35，避免了純絲素的酸性降解產(chǎn)物所導(dǎo)致的溶液pH值急劇降低的現(xiàn)象，表明了該復(fù)合支架具有良好的可降解性。
　　 (3)生物相容性實(shí)驗(yàn)表明：成骨細(xì)胞在各種配比的絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架上表現(xiàn)出了比純絲素支架更好的粘附、增殖效果和堿性磷酸酶活性

9、，這可能是由于復(fù)合多孔支架中的β-硅酸鈣在一定范圍內(nèi)對細(xì)胞的增殖分化產(chǎn)生促進(jìn)作用。通過試驗(yàn)顯示了絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架具有良好的生物相容性。
　　 以上結(jié)果顯示，本文采用共混－冷凍干燥的方法制備的絲素蛋白/β-硅酸鈣復(fù)合多孔支架，具有較好的形態(tài)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能、顯示了良好的親水性、降解性、生物活性和生物相容性。該復(fù)合多孔支架不僅可以調(diào)節(jié)力學(xué)性能使之與骨組織相匹配，而且還可以增強(qiáng)絲素蛋白與骨組織鍵合的能力，這為拓寬絲素蛋白