基于Ⅰ型胶原蛋白防水促伤口愈合纳米膜的制备及表征

摘要

Ⅰ型胶原蛋白具有低抗原性、生物可降解性、促进细胞生长增殖等性能，是一种理想的生物医用材料。通过静电纺丝技术制备的胶原蛋白纳米纤维膜不仅具有胶原蛋白的生理特性，而且还具有比表面积大、孔隙率高、三维立体结构等优点，可以模仿细胞外基质的特点，在医疗组织工程领域有巨大的应用前景。目前，胶原蛋白静电纺丝常用的溶剂大多数是六氟异丙醇（HFIP），HFIP不仅是一种高成本毒性大的溶剂，而且近年来的研究表明六氟异丙醇能够破坏胶原蛋白分子的三螺旋结构，这些因素都限制了六氟异丙醇作为胶原蛋白静电纺丝的溶剂大规模使用。此外，胶原蛋白纤维的防水性能也是限制胶原蛋白应用的另一个重要因素。针对以上问题，本文对牛跟腱Ⅰ型胶原蛋白静电纺丝溶剂、纺丝工艺参数、纺丝前后胶原蛋白的结构性能和胶原蛋白纤维的防水性能进行了初步探究。
　　本文以牛跟腱Ⅰ型胶原蛋白作为原材料，首先探讨了不同溶剂体系对胶原蛋白黏度和热稳定性的影响；其次对各胶原蛋白溶液进行静电纺丝，并通过扫描电子显微镜观察胶原蛋白纤维的形态。实验结果发现，相同的浓度下，不同溶剂形成的胶原蛋白溶液的黏度不同；氟化醇和有机酸再生的胶原蛋白热稳定性下降，分解速率加快；六氟异丙醇作为溶剂胶原蛋白可纺浓度范围在2％～4%之间，甲酸和乙酸水溶液作为溶剂胶原蛋白可纺浓度范围在5%～10%之间。实验中还发现，乙酸水溶液溶解胶原蛋白静电纺丝的成纤性能差；加入聚氧化乙烯（PEO）能够明显改善胶原蛋白纤维的形态。通过正交试验得出牛跟腱胶原蛋白的最优纺丝工艺：纺丝液总浓度7%、m(胶原):m(PEO)为90:10、施加电压25 Kv、接收距离20 cm和推进速率0.8 mL/h，在该条件下，形成的胶原蛋白纤维形态良好，分布均匀，直径为245±53 nm。
　　采用红外光谱分析、X射线衍射和热重分析对最优纺丝工艺所制备的胶原纳米纤维膜的理化性能进行研究，红外光谱分析表明胶原蛋白静电纺前后的主要基团特征吸收峰的强弱和位置未发生明显变化，从1452 cm-1与1233 cm-1处吸收峰强度的比值可以判断出，胶原蛋白三重螺旋结构仍然存在；PEO能与胶原蛋白分子形成氢键，初步判断PEO的加入不利于胶原蛋白保持其三螺旋结构。热重分析结果显示，胶原纳米纤维膜表现出胶原蛋白和 PEO两种材料的热力学特征。分析各材料的TG曲线可得，胶原纳米纤维膜中胶原蛋白的质量分数为87%，与最初纺丝液中胶原蛋白质量分数90%接近。X射线衍射分析显示胶原纤维膜中胶原蛋白与PEO分子间的作用力，使胶原蛋白分子之间的作用力下降，分子链间距离增大，并在一定程度上改变了各自的结晶程度。
　　以25%戊二醛水溶液蒸汽交联胶原纤维膜以改善其防水和力学性能。通过纤维膜浸泡实验、拉伸力学性能分析和水静态接触角测试确定最佳交联时间，通过红外光谱、X射线衍射和热重分析探究交联后纳米纤维膜的结构性能的变化。实验结果显示，未经交联的胶原纳米纤维膜的防水性能差，浸泡后完全失去了其纤维的微观形态；交联后纳米纤维膜的防水性能和力学性能均有提升。综合防水性和力学性能考察，得出交联的最佳时间为12 h。经红外光谱分析发现交联前后纳米纤维膜没有发生化学结构的变化，热重分析表明交联后纳米纤维膜的热稳定性稍有提升，保水性变差。X射线衍射分析表明交联作用改变了肽链间的距离，使胶原分子之间结构更加致密。
　　以胶原蛋白为原材料，使用无毒的乙酸水溶液作为纺丝溶剂并添加一定量PEO，戊二醛作为交联剂，通过静电纺丝制成胶原纳米纤维膜，并对其进行扫描电镜、红外光谱分析、热重分析、X衍射检测分析，结果表明：制备的胶原纳米纤维膜直径均匀、具有良好的力学性能和防水性能。通过该研究，为胶原蛋白纳米纤维的进一步应用奠定了基础。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 研究机理概述

1.3 胶原蛋白静电纺丝概述

1.4 本课题的研究意义、研究内容及创新点

第二章 胶原蛋白静电纺丝溶剂的选择

2.1实验材料及仪器

2.2实验方法

2.3 实验结果讨论

2.4本章小结

第三章 胶原蛋白静电纺纤维膜的制备及工艺优化

3.1实验材料及仪器

3.2实验方法

3.3实验结果分析

3.4本章小结

第四章 胶原蛋白纤维膜理化性能研究

4.1实验材料及仪器

4.2实验方法

4.3实验结果分析讨论

4.4本章小结

第五章 胶原蛋白纤维膜交联的研究

5.1实验材料及仪器

5.2实验方法

5.3 结果及讨论

5.4本章总结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2 展望

参考文献

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