壳聚糖/丝素微纤维复合材料以及功能性丝素微纤维的研究

来源 :浙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kxl_cqmu
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壳聚糖(Chitosan,CS)和丝素蛋白(Silk Fibroin,SF)是两种性能卓越的天然高分子,在组织工程和再生医学领域被深入研究。壳聚糖良好的止血性和抗菌性使其成为制备创伤敷料的优良选择,但纯壳聚糖材料往往存在力学性能不足和溶胀率过高等问题。丝素蛋白则具有优异的力学性能和良好的生物相容性,因此可以综合两者的优点,研制出性能优化的壳聚糖/丝素蛋白复合材料,从而更好地应用于创伤修复。相比于丝素蛋白溶液,丝素微纤维(Silk microfibers,mSF)极大地保留了丝素纤维的原生性,尤其是主导丝素蛋白力学性能的分子链聚集态结构。本研究通过将丝素微纤维与壳聚糖溶液混合,分别制备出壳聚糖/丝素微纤维复合膜和壳聚糖/丝素微纤维复合支架,并主要探讨了壳聚糖/丝素微纤维复合膜作为敷料在皮肤损伤修复中的应用。本论文还对丝素微纤维进行了功能化研究,即利用模拟生物矿化的方法在丝素微纤维表面沉积类骨磷酸钙矿物,探讨了丝素微纤维作为模板调控矿物生长的机理和过程,并验证了其良好的生物相容性和促进骨修复的作用。  本论文研究工作主要包括以下3部分:  (1)壳聚糖/丝素微纤维复合膜敷料的制备和应用  首先用NaOH溶液水解脱胶丝素纤维来制备丝素微纤维,这种方法简单有效,可以通过改变碱解时间来调控丝素微纤维的长度。结果表明:碱解6h后,丝素纤维已经由长变短并达到微米级别,其长度普遍大于200μm,但不同微纤维间差异较大;碱解12h后,微纤维的长度进一步缩短,基本处于50-200μm之间,而且比较均一;碱解24h后,丝素微纤维的长度约为20μm,甚至还有更小的纤维颗粒。综合考虑微纤维的长度和均一性,我们选定了经NaOH溶液水解12h得到的丝素微纤维来进行后续实验。接着通过共混后溶剂蒸发的方法制备出纯壳聚糖膜和壳聚糖/丝素微纤维复合膜,并对膜材料进行了一系列物理性能测试和表征。结果表明:丝素微纤维显著提升了壳聚糖膜的力学性能,这种力学增强作用主要来自于纤维间的相互关联,部分来自于丝素微纤维和壳聚糖基质间的界面结合;丝素微纤维的疏水性则减弱了水分子和膜材料之间的结合,因此降低了壳聚糖膜的溶胀率。丝素微纤维的存在还提高了壳聚糖膜的表面粗糙度,从而为L929细胞提供了附着和支撑,促进了细胞的黏附和增殖。基于壳聚糖/丝素微纤维复合膜良好的综合性能,我们将其用作创伤敷料来修复大鼠的全层皮肤损伤。通过观察创面愈合情况和分析组织切片结果,发现随着修复过程的进行壳聚糖和丝素微纤维产生了协同效应,共同加速了伤口的愈合。在21d时间点,壳聚糖/丝素微纤维复合膜敷料取得了最佳的修复效果,不仅在宏观水平上实现了创面的基本愈合,而且在微观水平上重建了组织的结构和功能。  (2)壳聚糖/丝素微纤维复合支架的制备和表征  通过相分离和冷冻干燥技术制备出纯壳聚糖支架和壳聚糖/丝素微纤维复合支架。首先考察了预冻温度对壳聚糖支架微观结构的影响,发现当预冻温度为-80℃和-20℃时,壳聚糖支架分别呈现出片层结构和多孔结构。随后选用-20℃作为预冻温度,并比较了在此条件下制备的不同支架的多孔结构,结果表明:随着丝素微纤维含量的升高,壳聚糖支架的孔隙率和孔径逐渐降低,当丝素微纤维的添加量为100%和200%时,其孔隙率和孔径显著低于纯壳聚糖支架。包裹在壳聚糖基质中的丝素微纤维不仅与壳聚糖产生了良好的界面结合,还增加了支架密度和孔壁厚度,因此显著提高了复合支架的弹性模量和压缩应力。纯壳聚糖支架和壳聚糖/丝素微纤维复合支架均表现出良好的生物相容性,但由于较高的孔壁粗糙度有利于细胞的黏附和生长,因此复合支架更利于rBMSCs细胞的增殖。  (3)丝素徽纤维磷酸钙复合材料的制备和应用  将丝素微纤维置于1.5倍模拟体液中矿化,发现其作为有机模板能有效调控无机矿物的成核与生长。矿物在丝素微纤维上的沉积呈现出时间依赖型的关系,此过程包括四个阶段:成核、生长、自组装和聚合;在矿化的第7d,丝素微纤维表面沉积了完整的具有层级结构的矿物层,从而实现了有机模板和无机矿物的完美结合。通过对矿化产物进行元素组成和结晶性能的分析,我们认为它是一种掺杂了碳酸根的类骨磷酸钙矿物。为了验证矿化丝素微纤维的生物相容性,选用了MG-63细胞与材料进行共培养,结果表明:未矿化的丝素微纤维、矿化3d的丝素微纤维和矿化7d的丝素微纤维均能促进MG-63细胞的生长和增殖,但矿化7d的丝素微纤维的促进效果最为显著,细胞的生长状态也最好。另外,我们还将矿化的丝素微纤维引入丙烯酰胺-透明质酸-二磷酸盐体系中,利用二磷酸盐和磷酸钙矿物的配位作用成功制备出具有自我修复特性的复合凝胶,并将材料植入大鼠颅骨缺损部位,发现其能有效促进新骨的生成。  本研究充分发挥了丝素微纤维的优点,一方面将其作为力学增强材料添加到壳聚糖膜和壳聚糖支架中,不仅提供了简单有效的制备壳聚糖/丝素蛋白复合材料的方法,而且显著提升了复合材料的力学表现和综合性能;另一方面将其作为有机模板来调控类骨矿物的成核与生长,既实现了有机模板和无机矿物的完美结合,又赋予了丝素微纤维更多的功能性。
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