丝蛋白纳米纤维的制备,结构和性能调控及其在生物材料中的应用

摘要

纳米纤维作为结构基元在具有特定结构和功能的丝蛋白生物医用材料设计领域具有重要意义。高晶丝蛋白纳米纤维，在可注射药物载体、具有取向结构水凝胶、具有多级结构多孔海绵设计等方面显示出良好的前景，但过高的beta-sheet含量使得纳米纤维疏水性和稳定性高，不仅构象组成无法进一步调控，同时浓度大于0.5％时会转化成凝胶态。导致其存在作为药物载体药物控释行为调控范围窄、作为基元材料在水相环境下难以实现形态和性能有效控制等问题。
　　本论文首先将高晶丝蛋白纳米纤维凝胶（SF-gel）同具有可编程释放能力的碳酸钙微球复合，制备具有可注射性、同时能够在较大范围调控药物释放行为的丝蛋白纳米纤维-碳酸钙控释载体，解决可注射丝蛋白纳米纤维凝胶药物控释调控性能低的问题。通过引入具有相应功能的其它成分，实现对阿霉素缓释性能的优化，获得更好的抗肿瘤效果。
　　随后，以组织工程对生物活性材料结构和性能不断提升的要求为导向，制备主要由非晶结构组成、能够在高浓度下保持溶液状态的丝蛋白纳米纤维基元，弥补现有高晶丝蛋白纳米纤维基元材料的缺陷。通过调控溴化锂和甲酸的比例来调整对丝蛋白原纤的分解程度，在破坏丝蛋白分子间氢键的同时保留了天然丝蛋白特有的分级纳米结构，成功制备出直径在10-20nm，长度在200-350nm之间的非晶丝蛋白纳米纤维溶液（SF-FA）。试验结果表明，新型丝蛋白纳米纤维通过浓缩，浓度可达8%以上，完全可以满足不同制备工艺对丝蛋白浓度的要求。在溶液态下，纳米纤维在4oC下可存储一周，冻干处理存储2个月以上，纳米结构和构象能保持稳定，并实现加水复溶，具有适宜的可存储性，为各种组织工程用生物材料的制备奠定了基础。
　　在此基础上，以非晶丝蛋白纳米纤维为基元分别制备多孔海绵支架和薄膜，通过相同的工艺获得同原有海绵和薄膜材料形貌、构象组成和力学性能完全不同的新材料，并通过甲醇、乙醇、水蒸汽等处理方式，进一步实现了二级结构、力学性能等的调控，显著拓宽了丝蛋白材料结构和性能的调控范围。与此同时，非晶纳米纤维基元显著提高了丝蛋白电纺丝的可纺性以及凝胶制备的可控性。同原有电纺丝工艺相比，在更低浓度条件下成功制备出电纺丝纤维支架；利用相同的成胶条件，实现了丝蛋白凝胶力学性能的显著提高和优化。
　　综上所述，本论文通过两种策略来解决高晶丝蛋白纳米纤维基元的固有问题。通过同其它成分复合，实现了对药物控释行为调控的优化；通过丝蛋白溶解过程的设计，获得新型的非晶丝蛋白纳米纤维基元，制备出一系列具有不同结构和功能的丝蛋白生物材料，为未来具有特定功能的生物活性材料的设计提供了更好的基质。

目录

声明

第一章 引 言

1.1 药物控释及组织工程的概念及要求

1.1.1 药物控释及组织工程的概念

1.1.2 药物控释载体及组织修复材料的分类

1.1.3 药物控释载体及组织修复材料的基本要求

1.2 丝蛋白在药物释放及组织工程中的应用

1.2.1 丝蛋白

1.2.2 丝蛋白的化学结构

1.2.3 丝蛋白的构象及聚集态结构

1.2.4 丝蛋白的特性

1.2.5 再生丝蛋白生物材料的形式多样性

1.2.6 家蚕丝素蛋白生物材料在药物控释和组织工程中的应用

1.3 本课题研究背景与研究内容

1.3.1 研究背景

1.3.2 研究内容

第二章 具有可编程性的高晶丝蛋白纳米纤维-碳酸钙微球可注射药物载体的设计

2.1 材料与方法

2.1.1 实验材料与试剂

2.1.2 实验仪器

2.1.3 实验方法

2.2 结果与讨论

2.2.1 不同温度处理的碳酸钙加载阿霉素

2.2.2 不同程度温度处理碳酸钙在高晶纳米纤维凝胶中的分散性及稳定性

2.2.3 高晶丝蛋白纳米纤维-碳酸钙微球药物载体的可注射性及可触变性

2.2.4 高晶丝蛋白纳米纤维-碳酸钙微球药物载体的可控释放研究

2.2.5 癌细胞的内吞作用评价

2.2.6 不同复合体系对癌细胞的毒性试验

2.3 本章小结

第三章 非晶丝蛋白纳米纤维溶液的制备及其性能研究

3.1 材料与方法

3.1.1 实验材料与试剂

3.1.2 实验仪器

3.1.3 实验方法

3.2 结果与讨论

3.2.1 非晶丝蛋白纳米纤维的形貌表征

3.2.2 丝蛋白纳米纤维的二级结构及聚集态结构

3.2.3 非晶丝蛋白纳米纤维的结构稳定性

3.2.4 非晶丝蛋白纳米纤维的热力学稳定性

3.2.5 非晶丝蛋白纳米纤维的动力学性质

3.3 本章小结

第四章 非晶丝蛋白纳米纤维为基元构建不同形态生物材料

4.1 材料与方法

4.1.1 实验材料与试剂

4.1.2 实验仪器

4.1.3 实验方法

4.2 结果与讨论

4.2.1 丝蛋白多孔海绵及薄膜性能研究

4.2.2 电纺纤维的性能研究

4.2.3 非晶丝蛋白纳米纤维制备的水凝胶的性能研究

4.2.4 HRP交联的丝蛋白凝胶的性能研究

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文

致谢