專利名稱：一種絲素蛋白多孔結(jié)構(gòu)材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為制備具有良好生物相容性的絲素蛋白多孔結(jié)構(gòu)材料的新方法，涉及生物材料。
背景技術(shù)：
早在1934年Formhals就設(shè)計(jì)了第一套利用聚合物溶液在強(qiáng)電場下的噴射、進(jìn)行紡絲加工的裝置，近年來，由于其能夠有效地制備直徑在數(shù)十納米到數(shù)微米的纖維而引起了人們廣泛的關(guān)注。在靜電紡絲過程中，在聚合物溶液或熔體上加上幾千至幾萬伏的高壓電，聚合物溶液或熔體在噴孔處形成Talyor錐，當(dāng)高壓電場產(chǎn)生的電場拉伸力達(dá)到一定值，足以克服液滴表面的表面張力后，液滴上便會噴射出帶電的聚合物溶液或熔體射流，然后該射流在電場中得到進(jìn)一步拉伸，聚合物溶液射流的溶劑快速揮發(fā)或熔體快速凝固，最后被收集到接收器上，形成非織造布狀的纖維氈或其它形狀的纖維結(jié)構(gòu)物。由于靜電紡絲的產(chǎn)物有一些諸如特殊表面積大、孔隙率高等有用的性質(zhì)，因此可以用于過濾材料，傷口包覆以及組織工程支架等方面。
絲素蛋白是蠶絲纖維中的組分之一，作為天然生物蛋白，除了具有優(yōu)異的機(jī)械性能之外，還具有良好的生物相容性，低炎癥反應(yīng)性和良好的機(jī)械及物理化學(xué)性能，近年來受到生物材料界廣泛的研究。在人造皮膚，人造韌帶，人造骨，人造血管方面有良好的應(yīng)用前景，并可作為藥物緩釋材料，酶固定化材料等。在組織工程中，其優(yōu)異的細(xì)胞生長性和緩慢降解性也使其具有廣泛的應(yīng)用前景。
組織工程學(xué)是利用工程學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法研究生物有機(jī)體的組織器官或其功能替代物的新興交叉學(xué)科。它集生物工程、生命科學(xué)、材料科學(xué)與工程及臨床醫(yī)學(xué)于一體，目的是修復(fù)和再生受損組織或器官，幫助病人恢復(fù)受損組織的功能，提高生活質(zhì)量。1987年，美國自然科學(xué)基金工程理事會在研討生物工程前景時(shí)提出了組織工程學(xué)的定義，即“應(yīng)用工程學(xué)和生命學(xué)的原理和方法來了解正常的和病理的哺乳類動物的組織結(jié)構(gòu)-功能的關(guān)系，并研制生物組織代用品，用于修復(fù)、維持和改善人體組織的功能”。組織工程的基本原理和方法是將體外培養(yǎng)的高濃度組織細(xì)胞擴(kuò)增后吸附于一種生物相容性良好并可被人體逐步降解吸收的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)材料上，形成細(xì)胞-生物材料復(fù)合物。由于該材料可為細(xì)胞提供生存的三維空間，因此有利于細(xì)胞獲得足夠的營養(yǎng)物質(zhì)、進(jìn)行新陳代謝并使細(xì)胞按預(yù)制形態(tài)的三維支架生長。將這種復(fù)合體植入機(jī)體所需部位后，種植的細(xì)胞在支架材料的降解吸收過程中繼續(xù)增生繁殖，形成了新的具有原來特殊功能和形態(tài)的相應(yīng)組織和器官，從而可達(dá)到修復(fù)組織外形和功能重建的目的。
已經(jīng)證實(shí)基于絲素蛋白的支架可能會在修復(fù)和再生組織方面有廣泛的應(yīng)用。而靜電紡絲無紡布由于具有利于高密度細(xì)胞和組織培養(yǎng)的特殊表面積大以及居有多孔的三維結(jié)構(gòu)，因而是最有希望應(yīng)用于各類組織工程的材料形式之一，實(shí)驗(yàn)證明，與絲素蛋白膜相比，絲素蛋白纖維基體更能夠促進(jìn)細(xì)胞的粘附。當(dāng)前，已經(jīng)以六氟異丙醇、六氟丙酮、甲酸為溶劑或?qū)⒔z素蛋白與聚乙烯醇共混制得了絲素?zé)o紡布。
在現(xiàn)有的靜電紡絲絲素蛋白方法中，用有機(jī)溶劑進(jìn)行靜電紡絲可能造成溶劑殘留，殘留的溶劑有細(xì)胞毒作用，可能會引起的纖維化及與周圍組織的免疫反應(yīng)；而將絲素蛋白與其它聚合物共混進(jìn)行靜電紡絲還需要把產(chǎn)物中的聚合物成分去除掉，操作繁瑣。為了避免有機(jī)溶劑殘留的問題以及簡化加工成型過程，我們研究了在適宜的條件下直接將絲素蛋白水溶液靜電紡絲制備絲素蛋白多孔材料，并獲得了成功。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服通常靜電紡絲絲素蛋白制備過程中有機(jī)溶劑殘留降低材料生物相容性以及操作繁瑣的缺點(diǎn)，用水作為靜電紡絲的溶劑，制備生物相容性良好的絲素蛋白多孔結(jié)構(gòu)材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將絲素溶液蛋白水溶液攪拌，使之在低于100℃濃縮至1-600mg/ml的高濃度透明絲素蛋白水溶液，將溶液在10-100℃、接收距離1-100cm、電壓50V-60KV下靜電紡絲制得絲素蛋白多孔結(jié)構(gòu)材料。利用不同的接收裝置以獲得絲素蛋白無紡布、絲素蛋白多孔壁管以及纖維等材料。
本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)是將蠶絲在0.5％的Na2CO3溶液中100℃下煮60min以除去蠶絲外部的絲膠蛋白，將脫膠后的絲素蛋白用蒸餾水多次洗滌后干燥，獲得純的絲素蛋白。將一定量的絲素蛋白溶于CaCl2/H2O/CH3CH2OH(摩爾比1∶8∶2)三元溶液或其它濃鹽溶液中，在水中透析三天以除去溶液中的氯化鈣和乙醇，過濾溶液從而得到純凈的絲素蛋白水溶液。將此水溶液經(jīng)攪拌，在低于100℃的范圍內(nèi)對此溶液進(jìn)行濃縮，獲得濃度為1-600mg/ml的透明高濃度絲素蛋白水溶液，攪拌的目的是防止絲素溶液在濃縮過程中凝固。將此高濃度的透明溶液倒入注射器，在注射器針頭處加上50V-60KV的電壓，在0-100℃、接收距離1-100cm下靜電紡絲，用極板、金屬棒材接收、在針頭與接收裝置之間添加改變電場強(qiáng)度和形狀的附件，用絕緣體框架往復(fù)穿過射流以及高速旋轉(zhuǎn)的金屬棒或有尖銳邊緣的圓盤以及金屬框架接收，制得具有良好生物相容性的絲素蛋白無紡布、管壁多孔的絲素蛋白管材以及取向的絲素蛋白纖維。
制備出的絲素多孔結(jié)構(gòu)材料用掃描電子顯微鏡觀察了其微觀形貌，并用傅立葉變換紅外光譜，X射線衍射，以及差示掃描量熱法來測定材料中絲素蛋白的結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果表明材料中絲素蛋白主要為無規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)，干態(tài)拉伸強(qiáng)度不小于0.8MPa，斷裂伸長率大于0.8％，用甲醇進(jìn)行后處理后silk II結(jié)構(gòu)增加，材料不溶于水，干態(tài)拉伸強(qiáng)度大于1.5MPa，斷裂伸長率不小于1.6％。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是用水作為靜電紡絲絲素蛋白溶劑可以保持絲素蛋白良好的生物相容性，安全性高，同時(shí)簡化了制備過程。故本發(fā)明對絲素蛋白多孔結(jié)構(gòu)材料在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用具有重大意義和實(shí)用價(jià)值。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例實(shí)施例1將蠶絲在0.5％的Na2CO3溶液中100℃煮60min，以除去蠶絲外部的絲膠蛋白并將煮過的絲素蛋白用蒸餾水仔細(xì)洗滌后干燥，獲得純的絲素蛋白。將1克絲素蛋白溶于10毫升的CaCl2/水/乙醇(摩爾比1∶8∶2)三元溶液中，將此絲素溶液在透析帶袋中透析三天，除去溶液中的氯化鈣和乙醇，從而得到透明的絲素溶液。將溶液倒入燒杯，在低于100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發(fā)濃縮。將溶液濃縮至1mg/ml，為透明溶液。隨后將此濃溶液倒入注射器，在注射器針頭處加上50V電壓，在10℃下、接收距離1cm，用極板接收可得絲素蛋白無紡布，其厚度可以通過紡絲時(shí)間控制。
實(shí)施例2制備純的絲素蛋白水溶液如實(shí)施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低于100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發(fā)濃縮。將溶液濃縮至1mg/ml，為透明溶液。隨后將此濃溶液倒入注射器，在注射器針頭處加上500V電壓，在10℃下、接收距離1cm，用不同直徑的金屬棒材接收可得具有多孔管壁的絲素蛋白管材，管壁厚度可以通過紡絲時(shí)間控制。
實(shí)施例3制備純的絲素蛋白水溶液如實(shí)施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低于100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發(fā)濃縮。將溶液濃縮至200mg/ml，為透明溶液。隨后將此濃溶液倒入注射器，在注射器針頭處加上20KV電壓，在20℃下、接收距離1cm，用高速旋轉(zhuǎn)的金屬棒、有尖銳邊緣的圓盤或金屬框架接收可得具有取向性的絲素蛋白纖維。
實(shí)施例4制備純的絲素蛋白水溶液如實(shí)施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低于100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發(fā)濃縮。將溶液濃縮至300mg/ml，為透明溶液。隨后將此濃溶液倒入注射器，在注射器針頭處加上30V電壓，在30℃下、接收距離1cm，在針頭與接收裝置之間添加改變電場強(qiáng)度和形狀的附件，并用絕緣體框架往復(fù)穿過射流可以得到取向的絲素蛋白纖維。
實(shí)施例5制備純的絲素蛋白水溶液如實(shí)施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低于100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發(fā)濃縮。將溶液濃縮至600mg/ml，為透明溶液。隨后將此濃溶液倒入注射器，在注射器針頭處加上60KV電壓，在100℃下、接收距離100cm，用極板接收可得絲素蛋白無紡布，其厚度可以通過紡絲時(shí)間控制。
實(shí)施例6制備純的絲素蛋白水溶液如實(shí)施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低于100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發(fā)濃縮。將溶液濃縮至500mg/ml，為透明溶液。隨后將此濃溶液倒入注射器，在注射器針頭處加上50KV電壓，在100℃下、接收距離90cm，用不同直徑的金屬棒材接收可得具有多孔管壁的絲素蛋白管材，管壁厚度可以通過紡絲時(shí)間控制。
實(shí)施例7制備純的絲素蛋白水溶液如實(shí)施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低于100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發(fā)濃縮。將溶液濃縮至400mg/ml，為透明溶液。隨后將此濃溶液倒入注射器，在注射器針頭處加上40KV電壓，在50℃下、接收距離60cm，用高速旋轉(zhuǎn)的金屬棒、有尖銳邊緣的圓盤或金屬框架接收可得具有取向性的絲素蛋白纖維。
實(shí)施例8制備純的絲素蛋白水溶液如實(shí)施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低于100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發(fā)濃縮。將溶液濃縮至400mg/ml，為透明溶液。隨后將此濃溶液倒入注射器，在注射器針頭處加上30KV電壓，在25℃下、接收距離50cm，在針頭與接收裝置之間添加改變電場強(qiáng)度和形狀的附件，并用絕緣體框架往復(fù)穿過射流可以得到取向的絲素蛋白纖維。
實(shí)施例9制備絲素蛋白材料如實(shí)施例1-8所示。
將所得到的絲素蛋白材料用等離子體進(jìn)行表面處理，進(jìn)一步改善細(xì)胞的生長性。
權(quán)利要求
1.一種絲素蛋白多孔結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于將絲素溶液蛋白水溶液攪拌，使之在低于100℃濃縮至1-600mg/ml的高濃度透明絲素蛋白水溶液，將溶液在10-100℃、接收距離1-100cm、電壓50V-60KV下靜電紡絲制得絲素蛋白多孔結(jié)構(gòu)材料，用不同的接收裝置獲得絲素蛋白無紡布、絲素蛋白多孔壁管以及纖維材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種絲素蛋白多孔結(jié)構(gòu)材料的制備方法，其特征在于接收裝置可用極板、金屬棒材接收、在針頭與接收裝置之間添加改變電場強(qiáng)度和形狀的附件，用絕緣體框架往復(fù)穿過射流以及高速旋轉(zhuǎn)的金屬棒或有尖銳邊緣的圓盤以及金屬框架接收。
全文摘要
一種絲素蛋白多孔結(jié)構(gòu)材料的制備方法，涉及生物高分子材料。選用CaCl
文檔編號D01D5/00GK1844509SQ20061007567
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者曹傳寶, 陳辰, 馬西蘭 申請人:北京理工大學(xué)