一種絲素蛋白多孔結構材料的製備方法

2023-10-04 06:03:59 1

專利名稱：一種絲素蛋白多孔結構材料的製備方法
技術領域：
本發明為製備具有良好生物相容性的絲素蛋白多孔結構材料的新方法，涉及生物材料。
背景技術：
早在1934年Formhals就設計了第一套利用聚合物溶液在強電場下的噴射、進行紡絲加工的裝置，近年來，由於其能夠有效地製備直徑在數十納米到數微米的纖維而引起了人們廣泛的關注。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，當高壓電場產生的電場拉伸力達到一定值，足以克服液滴表面的表面張力後，液滴上便會噴射出帶電的聚合物溶液或熔體射流，然後該射流在電場中得到進一步拉伸，聚合物溶液射流的溶劑快速揮發或熔體快速凝固，最後被收集到接收器上，形成非織造布狀的纖維氈或其它形狀的纖維結構物。由於靜電紡絲的產物有一些諸如特殊表面積大、孔隙率高等有用的性質，因此可以用於過濾材料，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，除了具有優異的機械性能之外，還具有良好的生物相容性，低炎症反應性和良好的機械及物理化學性能，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用前景，並可作為藥物緩釋材料，酶固定化材料等。在組織工程中，其優異的細胞生長性和緩慢降解性也使其具有廣泛的應用前景。
組織工程學是利用工程學和生命科學的原理和方法研究生物有機體的組織器官或其功能替代物的新興交叉學科。它集生物工程、生命科學、材料科學與工程及臨床醫學於一體，目的是修復和再生受損組織或器官，幫助病人恢復受損組織的功能，提高生活質量。1987年，美國自然科學基金工程理事會在研討生物工程前景時提出了組織工程學的定義，即「應用工程學和生命學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構-功能的關係，並研製生物組織代用品，用於修復、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的高濃度組織細胞擴增後吸附於一種生物相容性良好並可被人體逐步降解吸收的細胞外基質(ECM)材料上，形成細胞-生物材料複合物。由於該材料可為細胞提供生存的三維空間，因此有利於細胞獲得足夠的營養物質、進行新陳代謝並使細胞按預製形態的三維支架生長。將這種複合體植入機體所需部位後，種植的細胞在支架材料的降解吸收過程中繼續增生繁殖，形成了新的具有原來特殊功能和形態的相應組織和器官，從而可達到修復組織外形和功能重建的目的。
已經證實基於絲素蛋白的支架可能會在修復和再生組織方面有廣泛的應用。而靜電紡絲無紡布由於具有利於高密度細胞和組織培養的特殊表面積大以及居有多孔的三維結構，因而是最有希望應用於各類組織工程的材料形式之一，實驗證明，與絲素蛋白膜相比，絲素蛋白纖維基體更能夠促進細胞的粘附。當前，已經以六氟異丙醇、六氟丙酮、甲酸為溶劑或將絲素蛋白與聚乙烯醇共混製得了絲素無紡布。
在現有的靜電紡絲絲素蛋白方法中，用有機溶劑進行靜電紡絲可能造成溶劑殘留，殘留的溶劑有細胞毒作用，可能會引起的纖維化及與周圍組織的免疫反應；而將絲素蛋白與其它聚合物共混進行靜電紡絲還需要把產物中的聚合物成分去除掉，操作繁瑣。為了避免有機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製備絲素蛋白多孔材料，並獲得了成功。

發明內容
本發明的目的是為了克服通常靜電紡絲絲素蛋白製備過程中有機溶劑殘留降低材料生物相容性以及操作繁瑣的缺點，用水作為靜電紡絲的溶劑，製備生物相容性良好的絲素蛋白多孔結構材料。
本發明的技術方案是將絲素溶液蛋白水溶液攪拌，使之在低於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下靜電紡絲製得絲素蛋白多孔結構材料。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。
本發明的具體實現是將蠶絲在0.5％的Na2CO3溶液中100℃下煮60min以除去蠶絲外部的絲膠蛋白，將脫膠後的絲素蛋白用蒸餾水多次洗滌後乾燥，獲得純的絲素蛋白。將一定量的絲素蛋白溶於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淨的絲素蛋白水溶液。將此水溶液經攪拌，在低於100℃的範圍內對此溶液進行濃縮，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度和形狀的附件，用絕緣體框架往復穿過射流以及高速旋轉的金屬棒或有尖銳邊緣的圓盤以及金屬框架接收，製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。
製備出的絲素多孔結構材料用掃描電子顯微鏡觀察了其微觀形貌，並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構。測試結果表明材料中絲素蛋白主要為無規線團結構，幹態拉伸強度不小於0.8MPa，斷裂伸長率大於0.8％，用甲醇進行後處理後silk II結構增加，材料不溶於水，幹態拉伸強度大於1.5MPa，斷裂伸長率不小於1.6％。
本發明的優點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，同時簡化了製備過程。故本發明對絲素蛋白多孔結構材料在生物醫學上的應用具有重大意義和實用價值。
具體實施例方式
實施例實施例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並將煮過的絲素蛋白用蒸餾水仔細洗滌後乾燥，獲得純的絲素蛋白。將1克絲素蛋白溶於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，在低於100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發濃縮。將溶液濃縮至1mg/ml，為透明溶液。隨後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間控制。
實施例2製備純的絲素蛋白水溶液如實施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低於100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發濃縮。將溶液濃縮至1mg/ml，為透明溶液。隨後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間控制。
實施例3製備純的絲素蛋白水溶液如實施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低於100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發濃縮。將溶液濃縮至200mg/ml，為透明溶液。隨後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。
實施例4製備純的絲素蛋白水溶液如實施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低於100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發濃縮。將溶液濃縮至300mg/ml，為透明溶液。隨後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度和形狀的附件，並用絕緣體框架往復穿過射流可以得到取向的絲素蛋白纖維。
實施例5製備純的絲素蛋白水溶液如實施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低於100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發濃縮。將溶液濃縮至600mg/ml，為透明溶液。隨後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間控制。
實施例6製備純的絲素蛋白水溶液如實施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低於100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發濃縮。將溶液濃縮至500mg/ml，為透明溶液。隨後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間控制。
實施例7製備純的絲素蛋白水溶液如實施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低於100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發濃縮。將溶液濃縮至400mg/ml，為透明溶液。隨後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。
實施例8製備純的絲素蛋白水溶液如實施例1所示。
將溶液倒入燒杯，在低於100℃水浴加熱情況下，用攪拌器輕微攪拌，揮發濃縮。將溶液濃縮至400mg/ml，為透明溶液。隨後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度和形狀的附件，並用絕緣體框架往復穿過射流可以得到取向的絲素蛋白纖維。
實施例9製備絲素蛋白材料如實施例1-8所示。
將所得到的絲素蛋白材料用等離子體進行表面處理，進一步改善細胞的生長性。
權利要求
1.一種絲素蛋白多孔結構材料的製備方法，其特徵在於將絲素溶液蛋白水溶液攪拌，使之在低於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下靜電紡絲製得絲素蛋白多孔結構材料，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.如權利要求1所述的一種絲素蛋白多孔結構材料的製備方法，其特徵在於接收裝置可用極板、金屬棒材接收、在針頭與接收裝置之間添加改變電場強度和形狀的附件，用絕緣體框架往復穿過射流以及高速旋轉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構材料的製備方法，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 優先權日2006年4月18日
發明者曹傳寶, 陳辰, 馬西蘭 申請人:北京理工大學