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作为传统纺织品原料的拓展,蚕丝近年来的研究主要集中于高新技术领域,特别是探索用于生物医用组织工程和药物缓释材料研究。为此,蚕丝蛋白(SF)已经被再生加工成长丝、多孔支架、水凝胶、纳米纤维等多种形式并受到广泛关注。然而如何进一步提高SF支架的生物相容性和组织再生的诱导性仍然是SF作为生物医用材料面临的一个挑战。最新研究发现,天然细胞外基质(ECM)结构(如胶原纤维直径)在细胞功能维持、干细胞分化和组织再生中发挥至关重要的作用。因此制备具有仿ECM结构的再生SF支架成为SF作为生物医用材料的热点方向,并且其在再生医学生物材料领域具有很大的潜在应用价值。为制备出具有仿ECM纳米结构的再生SF支架,本文首先控制SF再生过程中的自组装,形成特定的SF自组装纳米结构,研究SF自组装纳米结构对溶液性质、再生SF膜、静电纺SF纳米纤维、冷冻干燥SF多孔支架形态、结构和性能的影响,在此基础上制备出S聊LA(聚乳酸)共混纳米纤维、SF/HA(透明质酸)共混多孔支架,并对其结构性能进行表征。
本文首先控制再生SF水溶液的浓缩干燥过程,在缓慢浓缩过程中形成SF自组装纳米纤维结构。具有纳米纤维结构的再生SF溶液具有较高的溶液粘度;以此溶液形成的多孔支架具有完整三维(3D)多孔结构而非新鲜SF溶液形成的片层结构;以此溶液形成的再生SF膜具有典型的silkⅠ结构,且膜断面内可见大量纳米纤维结构;以此含有纳米纤维结构的再生SF膜甲酸溶解后进行静电纺丝发现,纺丝液内含有大量纳米纤维结构,且溶液粘度很高,此溶液的可纺性也很高,如在较低的浓度(6%)下就可以获得纳米纤维,所纺纤维直径小于100 nm;通过对静电纺SF纳米纤维进行不同浓度乙醇溶液蒸汽后处理可以获得不同二级结构的静电纺SF纳米纤维支架。
以六氟异丙醇(HFIP)为溶剂溶解缓慢干燥SF膜(膜内含大量纳米纤维结构)和聚乳酸(PLA)切片,经过静电纺丝可以获得不同SF/PLA比例的共混纳米纤维,研究发现:纯SF纳米纤维直径高于PLA纳米纤维一个数量级,随着SF含量越高纤维直径越粗;扫描电镜未观察到相分离的存在,但从结构和热性能分析来看,SF/PLA共混纤维有明显的相分离存在;进一步通过氯仿选择性溶解去除PLA证实了SF/PLA存在明显的相分离,其中SF相是连续的,而PLA是聚集的;借此采用选择性溶解方法可以制备出多孔SF纳米纤维支架,并通过调整PLA的比例控制多孔SF纳米纤维上的孔径和孔隙率。
很多人体组织器官的ECM是由蛋白和多糖组成的。因此,本文将将新鲜SF水溶液(主要为纳米球结构)与不同分子量(60W、160 W和260 W)透明质酸(HA,多糖类)共混,经过冷冻干燥形成SF/HA共混支架,探讨成份仿生材料的制备及结构、性能。研究发现:HA可以诱导SF自组装形成纳米纤维结构,且随着HA分子量的增大,SF/HA共混支架内部从片层结构到形成越来越多的3D多孔结构,同时提高了SF/HA共混支架的结构稳定性;SF/HA共混支架以无定形结构为主,75%乙醇蒸汽后处理可以诱导SF从无定形向silkⅡ结构转变;HA的加入会抑制SF的结晶,特别是在后处理过程中抑制SF从无定形结构向silkⅡ结构转变。
以浓缩后的SF水溶液(主要为纳米纤维结构)与不同分子量HA共混,经过冷冻干燥形成SF/HA共混支架,研究发现:所有样品的内部均为完好的3D多孔结构,而SF/HA共混膜的断面均可见大量纳米纤维结构,HA的加入则可以提高孔间的连通性;SF/HA共混多孔支架仍然以无定形结构为主,经过75%乙醇蒸汽后处理后SF从无定形结构向silkⅡ结构转变:HA的加入可以明显提高SF/HA共混支架的亲水性能,其膨胀率明显高于纯SF多孔支架;75%乙醇蒸汽后处理后的SF/HA共混多孔支架在去离子水中浸泡5h后,SEM图片可见支架断面孔壁被纳米纤维覆盖,纤维直径介于50 nm~500 nm之间。
本文研究发现,在丝素蛋白再生加工过程中会发生自组装,通过对再生SF水溶液的缓慢浓缩可以形成类SF自组装纳米纤维结构,该纳米结构会对再生SF支架的形态、结构和性能产生重要的影响。在此基础上,本论文制备含SF自组装纳米纤维结构的溶液,然后与聚乳酸和透明质酸进行共混,并通过静电纺丝和冷冻干燥法制备出SF/PLA共混纳米纤维和SF/HA共混多孔支架,对其形态、结构和性能进行详细表征与分析。通过本论文研究,揭示了再生SF基支架制备过程中的一重要手段,即对SF自组装纳米结构的控制将有助于调控再生SF支架的形态、结构和性能,从而提高该材料的应用性能与价值,该项研究对制备理想的SF基支架具有重要的参考价值和指导意义。