丝素蛋白/碳酸钙复合支架材料的制备及其理化性能、生物相容性研究

摘要

骨组织工程是基于种子细胞、生长因子和支架材料的概念，其中支架材料是骨组织工程的关键因素，一方面作为种子细胞和生长因子的载体，另一方面给新生骨提供力学支撑作用。因此，对于支架材料的研究成为骨组织工程的重要方面，研究者都致力于开发出更符合骨组织工程要求的支架材料。
　　 丝素蛋白具有良好的机械性能和理化性质，如良好的柔韧性和抗拉伸强度、透气吸湿性、生物相容性[1]、生物降解性、无毒、无刺激性等。其作为纯天然生物高分子材料应用于生物医学领域已有很长历史，在组织工程领域的应用已成为丝素蛋白研究的热点，被广泛应用于人工神经、皮肤、骨骼、血管、肌腱、韧带和角膜等领域[2]。
　　 早在90年代初就有将碳酸钙应用于骨组织工程中的研究，人们将天然珊瑚[3](主要成分是碳酸钙)制成细胞支架，用于多种细胞的体外培养。2003年，陈晓明等[4]制备出一种多孔碳酸钙陶瓷，并对其理化性能和生物相容性进行了较为全面的测试，结果表明其具有良好的生物可降解和细胞相容性[5]。因此，多孔碳酸钙陶瓷作为骨组织工程的支架材料日益受到人们的重视。
　　 基于此，本实验采用来源广泛、生物相容性良好的丝素蛋白和碳酸钙共混制备复合支架材料，并对其理化性能和生物相容性进行相关测试，旨在为骨组织工程提供一种制备简便、成本低廉、性能优异的人工骨材料。
　　 本实验以碳酸钠和无水氯化钙为原料，分别采用普通法和滴定法制备碳酸钙，通过研究分析发现，滴定法制备的碳酸钙是亚稳型的球霰石晶体，易于转变为更稳定的方解石或者文石晶体，易于发生团聚现象；而普通法制备的碳酸钙为方解石和球霰石的混合晶体，呈现球形的、中空多孔结构，粒径分布在1-3μm，并且在微粒表面存在大量的纳米碳酸钙和丰富的孔道。因此本实验采用普通法制备碳酸钙以进行后续实验。
　　 以丝素蛋白溶液和自制碳酸钙为原料，通过调节其共混质量比、采用不同的制备方法，探索丝素蛋白/碳酸钙复合支架的制备工艺，并对其理化性能和生物相容性进行了相关测试。
　　 支架理化性能测试的结果表明：①各样品的横截面均蜂窝状结构，孔径介于20-300μm之间，孔与孔之间存在3-10μm的微孔相互连通；孔隙率介于43％-76％之间，当丝素蛋白与碳酸钙比例为6:4时孔隙率最高。②力学性能测试结果表明，复合支架材料的弹性模量和压缩强度成负相关，弹性模量介于23-1802 MPa，压缩强度介于8-41MPa。③FTIR谱显示，样品中同时存在丝素和碳酸钙的吸收峰，并且存在峰的偏移、削弱和消失，由此推测丝素和碳酸钙之间发生了一定的复合。④DSC测试表明，碳酸钙微粒的加入，促进了丝素蛋白由无规卷曲向β-折叠构象的转变，结晶度得到提高。
　　 支架生物相容性测试结果表明，复合支架无毒性反应、致敏反应、刺激反应、热源反应和溶血现象，有良好的生物相容性和体外降解性，具有临床应用的可能性。为了进一步奠定其临床应用的基础，在后续研究中还应对其遗传毒性、致癌性、生殖毒性、植入后局部反应、降解产物与可溶出物毒代动力学等进行深入研究。同时，还可探索将其与种子细胞、生长因子相结合，制备出具有优异的骨诱导性和骨传导性的骨组织工程支架材料。