近年静电纺丝技术在各个行业发展迅速,利用天然高分子进行静电纺丝并将其应用到生物活性物质及药物缓释、活性包装、组织工程等领域是一大热点。明胶是一种天然高分子,具有良好的生物相容性和生物可降解性。明胶及其他合成或天然高分子共纺制备得到的纳米纤维膜在各个领域应用均有研究。但是由于明胶易吸水溶胀,如何通过安全无毒的方法改善明胶纳米纤维膜的特性是将其进一步应用在食品领域的关键问题。本研究首先制备了明胶纳米纤维膜,研究典型的表面活性剂对明胶纳米纤维的影响,并包埋了疏水性功能分子姜黄素,研究表面活性剂对姜黄素释放及功能特性的影响。然后通过向明胶中添加疏水性的玉米醇溶蛋白,对明胶、玉米醇溶蛋白和明胶/玉米醇溶蛋白涂膜和电纺膜进行对比研究。进而制备了不同比例的明胶/玉米醇溶蛋白纳米纤维膜并分析其特性,通过添加葡萄糖进行美拉德反应实现对明胶/玉米醇溶蛋白纳米纤维膜的进一步交联。最后将交联后的明胶/玉米醇溶蛋白纳米纤维膜应用于包埋释放和大鼠头骨修复。本论文主要研究内容包括以下6个部分:(1)明胶与表面活性剂共纺及其对姜黄素包埋功能特性的影响通过静电纺丝技术制备明胶纳米纤维,纺丝条件为明胶浓度25%(w/v),溶剂40%(v/v)乙酸,电压15 kV,接地距离10 cm,纺丝液流速0.5 mL/h,获得直径约200 nm的明胶纳米纤维。向明胶溶液中添加典型的离子表面活性剂吐温80、阳离子表面活性剂CTAB、阴离子表面活性剂SDS。电镜结果发现,SDS的添加显著增加了明胶纳米纤维的直径,FTIR和DSC结果说明SDS与明胶之间存在氢键和疏水相互作用,并且使得明胶分子具有更伸展的二级结构。正是由于这种紧密的相互作用使得SDS抑制了姜黄素从明胶纳米纤维中释放及其功能特性的发挥。而另外两种表面活性剂Tween 80和CTAB促进了姜黄素的释放。SDS和Tween 80胶束能够起到屏障作用保护姜黄素被自由基攻击,而CTAB通过促进姜黄素的释放提高了纳米纤维的自由基清除能力和还原能力,并且表现出良好的抑菌效果。(2)明胶与玉米醇溶蛋白复合涂膜和电纺膜的对比研究对比研究了明胶、玉米醇溶蛋白和明胶/玉米醇溶蛋白(1:1,w/w)涂膜和电纺膜的性质。明胶和玉米醇溶蛋白在纳米纤维中为均相的混合,而明胶/玉米醇溶涂膜为非均相的混合。涂膜在水中浸泡24 h后明胶网络结构迅速瓦解。而在纳米纤维中玉米醇溶蛋白分子分布于明胶网络结构中并发生氢键相互作用,抑制明胶网络在水溶液中的瓦解。明胶/玉米醇溶蛋白纳米纤维膜相比于涂膜具有更疏水的表面,更好的热稳定性以及溶剂稳定性。(3)明胶与玉米醇溶蛋白共纺膜特性研究研究了不同明胶/玉米醇溶蛋白比例的电纺膜的特性。明胶/玉米醇溶蛋白纳米纤维的直径随着明胶比例的增加从74.8 nm(纯玉米醇溶蛋白)增加到695 nm(纯明胶)。明胶和玉米醇溶蛋白之间通过氢键相互作用,并且该作用在二者比例为1:1时达到最大。当明胶/玉米醇溶蛋白比例为1:1时,电纺膜表现出较强的结晶性,较疏水的表面(水接触角118°)归因于二者紧密的相互作用提高了蛋白有序结构的比例。。高玉米醇溶蛋白比例的电纺膜具有更好的弹性,明胶/玉米醇溶蛋白比例为1:3和1:2的电纺膜拉伸断裂率为87.9%和69.0%。不同比例混合的明胶/玉米醇溶蛋白的纳米纤维在水和乙醇中均能保持纤维形态。本部分结果表明,通过调控明胶/玉米醇溶蛋白的比例,可调控电纺膜的性质。(4)美拉德反应对明胶/玉米醇溶蛋白电纺膜特性的改善及其生物相容性向明胶/玉米醇溶蛋白溶液中添加葡萄糖,电纺成膜后于140℃条件下反应3 h以促使美拉德反应的发生,研究了美拉德反应交联后明胶/玉米醇溶蛋白不同比例时的电纺膜的性质。美拉德反应前后纳米纤维的微观结构无明显变化。红外光谱结果表明纳米纤维中蛋白质与葡萄糖发生了美拉德反应,并且由于蛋白间的氢键作用,明胶/玉米醇溶蛋白比例为1:1的纳米纤维的美拉德反应程度最低。美拉德反应增加了纳米纤维膜的疏水性,并增加了纳米纤维膜的强度,但是降低了纤维膜的弹性。交联后的纯明胶纳米纤维具有最高的弹性模量(77.9 MPa),拉伸强度(1.89 MPa)和拉伸率(41.4%)。细胞实验表明,美拉德交联后的电纺膜不具有细胞毒性,说明其具备良好的生物相容性。(5)葡萄糖交联明胶/玉米醇溶蛋白纳米纤维膜的包埋释放研究以葡萄糖交联的明胶/玉米醇溶蛋白(1:1,w/w)纳米纤维为载体,包埋不同浓度的别嘌呤醇。通过红外光谱和热力学分析发现,别嘌呤醇与蛋白之间存在氢键相互作用。当别嘌呤醇浓度为2.5%(A2.5)、5%(A5)和10%(A10)时,别嘌呤醇均匀分散在纳米纤维中,当浓度增加到20%(A20)时,别嘌呤醇在纤维中发生了聚集。由于别嘌呤醇与蛋白之间的相互作用,A2.5和A5纤维膜的润湿性显著提高,而A10和A20由于别嘌呤醇浓度升高,别嘌呤醇大量分布于纤维表面,其浸润性反而相比于未包埋(A0)有所降低。在磷酸缓冲液(PBS)、模拟胃液(SGF)和模拟肠液(SIF)中的释放行为表现为前期(0-20 min)突释,后期(>20 min)缓释,在缓释阶段为Fickian扩散。在PBS和SGF中12 h的释放率为30-60%,在SIF中12 h的释放率为20-70%。最后,包埋别嘌呤醇的纳米纤维膜表现出显著的黄嘌呤氧化酶抑制效果。(6)葡萄糖交联明胶/玉米醇溶蛋白纳米纤维膜应用于头骨修复研究了美拉德反应交联后的明胶/玉米醇溶蛋白比例为1:0(MGZ10),1:1(MGZ11)和1:3(MGZ13)的复合纳米纤维膜对大鼠头骨修复的效果。通过模拟体液矿化实验发现,纯明胶矿化效果最明显,矿化物主要成分是磷酸氢钙(DCPD)和磷酸八钙(OCP),矿化后增重率显著高于明胶/玉米醇溶蛋白纳米纤维膜。通过MC3T3-E1细胞增殖实验发现,所用纳米纤维膜均具有良好的细胞相容性,细胞在纳米纤维膜支架上呈星射状铺展。茜素红染色及其半定量测定说明,诱导后的成骨细胞在纯明胶支架上矿化结节更多。通过micro-CT定量分析新生成骨体积发现,大鼠头骨修复实验的空白组、MGZ10、MGZ11和MGZ13头骨头骨修复体积分别为7.92±1.05 mm~3,15.34±2.12 mm~3,11.05±2.41 mm~3,9.80±0.87 mm~3。纯明胶组(MGZ10)显著促进了头骨的修复,而玉米醇溶蛋白的添加没有进一步促进其修复效果,反而有所降低。通过分析炎症因子发现,纯明胶组中IL-1β的水平显著高于其他组,IL-1β能够促进成骨细胞的分化。同时观察到更高水平的IFN-γ和更低水平的IL-6,这两种炎症因子能抑制破骨细胞的分化。通过体内和体外的矿化及骨修复实验说明,葡萄糖交联的纯明胶纳米纤维膜能够促进骨组织矿化,通过调控炎症因子的水平来改变成骨细胞和破骨细胞的相对水平,从而表现出显著的促进头骨修复的效果。本研究制备了明胶及明胶/玉米醇溶蛋白复合纳米纤维膜,并通过美拉德反应对其特性进行改善,然后将其应用于生物活性物质包埋释放以及大鼠头骨修复,拓宽了明胶/玉米醇溶蛋白复合纳米纤维膜的应用范围。