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丝素蛋白是一种天然高分子材料,它有一些与众不同的生物学的特性,包括良好的生物相容性、氧气和水蒸气渗透性、生物降解性等。随着对其独特氨基酸组成及结晶结构等理化特性研究的深入,丝素蛋白在生物医学材料领域的应用日趋广泛,丝素蛋白可用做药物缓释载体、手术缝合线、人工皮肤和功能性细胞培养基质等,但其结构紧密,生物降解速度很慢,限制了其在组织工程领域的应用。聚乳酸是一种具有发展前景的材料,具有良好的生物降解性,但聚乳酸生物活性较低,细胞黏附较困难。将丝素和聚乳酸复合,形成具有细胞黏附性优良,同时降解性能良好的生物医用材料,满足机体组织修复的要求,是材料科学领域重要的任务之一。本文的研究内容是一方面讨论纯静电纺再生丝素蛋白纤维的结构与性能,另一方面是讨论静电纺再生丝素蛋白/聚乳酸纤维的结构、性能及其在组织工程中的应用。具体的研究和结论如下:
1.将脱胶后的家蚕丝溶解在CaCl2/C2H5OH/H2O三元液中,经透析、冷冻干燥后得到海绵状多孔再生丝素蛋白。将再生丝素蛋白溶解于98%甲酸中,分别配制质量分数为12%-20%的纺丝液。研究了纺丝液质量分数、纺丝电压、纺丝距离、纺丝流率对纤维直径及形态的影响;探讨了经甲醇处理后纤维结构和性能的变化。结果表明:纺丝液质量分数为12%-20%时通过静电纺丝均能获得丝素纳米/亚微米纤维;纤维直径随纺丝液质量分数的增加而增大,随电压的增大而减小,随纺丝距离和纺丝流率的变化纤维直径都有不同的变化。经过甲醇处理后β化程度提高,处理时间越长,β化程度越大。
2.将海绵状多孔再生丝素蛋白和聚乳酸以六氟异丙醇(HFIP)为溶剂配成含固量为4%-12%的混合溶液,其中丝素蛋白与聚乳酸的质量比为95:5,采用纺丝参数分别为纺丝距离:10-16cm;纺丝电压:12-24kV;纺丝流率:0.002-0.01ml/min进行静电纺丝。SEM结果表明当纺丝参数为纺丝液质量分数6%,纺丝距离12cm,纺丝电压18kV,纺丝流率0.01ml/min时,能得到均匀且形态较好的纤维。使用这样的参数纺制含固量为6%的丝素蛋白/聚乳酸共混纤维膜,其中丝素蛋白与聚乳酸的质量比分别为100:0;95:5;90:10;85:15;80:20;50:50;0:100。
3.对不同比例的丝素蛋白/聚乳酸共混纤维膜进行各种测试。红外光谱测试和XRD显示,随着聚乳酸含量的增加,丝素分子的构象逐渐由无规构象向β构象转变。通过对共混纤维膜的热重分析,结果表明聚乳酸的加入有利于提高丝素分子的排列规整性。静态水接触法测试表明随着聚乳酸含量的增加,共混纤维膜的接触角不断增大,说明共混纤维膜的亲水性随聚乳酸加入量的增大有所降低。利用全自动压汞仪进行孔隙率的测试,表明当聚乳酸的含量为5%时,共混纤维膜的孔隙率达到最大,之后随着聚乳酸含量的进一步增多,纤维膜的孔隙率逐渐降低。对共混纤维膜的拉伸实验,结果表明在聚乳酸含量较低时,随着聚乳酸含量的增加,丝素蛋白/聚乳酸共混纤维的屈服应力先增大后降低;而屈服应变先降低后增大。屈服应力最大和屈服应变最小值都出现在聚乳酸的加入量为5%时。
4.将丝素蛋白和聚乳酸以六氟异丙醇(HFIP)为溶剂分别配成纺丝液质量分数为6%的溶液,采用纺丝参数分别为纺丝液质量分数:6%;纺丝距离:12cm;纺丝电压:18kV;纺丝流率:0.01ml/min,纺得比例为50:50的丝素蛋白/聚乳酸混杂纤维膜。测试表明:混杂纤维膜比纯丝素蛋白纤维膜具有高的热分解温度,低的孔隙率和较好的力学性能。
5.对所选纤维样品进行细胞黏附性能测试,结果表明比例为95:5的丝素蛋白/聚乳酸共混纤维膜的黏附性能最好。细胞增殖性能测试表明丝素蛋白和聚乳酸的共混和混杂都有利于细胞的增殖。
总之,本文采用静电纺丝技术,纺制出性能优良的丝素蛋白/聚乳酸共混和混杂纤维膜,有望用于组织工程。