静电纺胶原/丝素复合微纳米纤维支架的制备及性能研究

摘要

目的:
　　由于单一材料构建的组织工程支架往往无法同时满足生物相容性、生物活性及一定的力学性能等特性，所以通过将具有不同优异性能的材料复合，以形成优势互补的新型复合支架材料。本研究将具有良好生物相容性的胶原蛋白(简称“胶原”)与优异机械性能的丝素蛋白(简称“丝素”)复合，通过静电纺丝技术制备胶原/丝素复合微纳米纤维支架，采用戊二醛蒸汽对其进行交联处理，对支架的理化性能和生物相容性进行研究，以期构建生物相容性良好、机械性能较好、降解速率适中的组织工程支架材料。
　　方法:
　　1.首先通过观察胶原和丝素及其共混物在不同溶剂中的溶解性和可纺性为其电纺选择合适的溶剂。并研究了一些纺丝条件如纺丝液浓度、纺丝电压、溶液流速和接收距离对纺丝效果的影响。选取25％的戊二醛蒸汽对电纺纤维支架进行交联处理，根据交联后纤维的形貌变化和水溶性选择合适的交联时间。
　　2.以六氟异丙醇(HFIP)为溶剂，将胶原和丝素以100:0，70:30，50:50，30:70，0:100的质量比共混在最佳纺丝条件下进行电纺。制备的五种配比的支架材料经戊二醛蒸汽交联12h。采用扫描电镜、红外光谱、X射线衍射、热重分析、力学性能测试、接触角测试等方法对支架的理化性能进行表征。
　　3.通过溶血试验、细胞毒性试验评价胶原/丝素静电纺微纳米纤维材料的血液相容性和细胞毒性；材料种植成纤维细胞(3T3和L929细胞)后通过扫描电镜和噻唑兰(MTT)比色法观察其细胞相容性。将材料植入大鼠皮下1周、2周和4周后取材，切片后通过HE染色进行病理学分析，考查材料的体内生物相容性。
　　结果:
　　1.本研究选择HFIP作为胶原和丝素共混进行电纺的溶剂。制备的电纺纤维平均直径随着纺丝液浓度和溶液流速的增加而增大，随着纺丝电压和接收距离的增加而减小。选取最佳纺丝条件为纺丝液浓度为10％，电压为16kV，溶液流速为2mL/h，接收距离为12cm。采用25％的戊二醛蒸气对电纺后的胶原/丝素微纳米纤维支架进行交联，选取合适的交联时间为12h。
　　2.扫描电镜结果显示在最佳纺丝条件下制备的复合纤维直径在550～1100nm之间，支架孔径约在8～13μm之间。随着丝素含量的增加纤维直径和支架孔径逐渐增大。红外光谱分析结果显示交联后电纺纤维随着丝素含量的增加，β化程度提高。X射线衍射分析显示电纺纤维在经过有机溶剂溶解和静电纺过程后变成了一种无定型相，而交联作用使纤维的结晶度增加，并且丝素含量越多，结晶度越高。交联后纤维材料的热稳定性高于交联前。交联后材料的力学性能优于交联前，丝素含量为70％的纤维膜平均断裂强度为(8.70±1.05)MPa，高于其它配比的纤维膜；丝素含量为50％的纤维膜平均断裂延伸率高于其它配比的纤维膜。接触角测试表明胶原/丝素复合微纳米纤维具备很好的亲水性。
　　3.溶血试验和细胞毒性试验结果显示胶原/丝素微纳米纤维材料的溶血检测和细胞毒性均符合国家标准GB/T16886。材料种植成纤维细胞(3T3)后扫描电镜观察显示细胞在材料表面贴附牢固，生长状态良好，并分泌大量基质，表明该支架材料能够有效促进细胞的粘附、铺展；材料种植成纤维细胞(3T3和L929)后MTT结果显示细胞在支架材料上增殖状况明显。丝素含量为70％组的细胞粘附和增殖高于其它组，与细胞培养板相比无显著性差异，表明该复合纤维支架具备良好的细胞相容性。大鼠皮下埋植实验结果显示胶原/丝素复合微纳米纤维支架在体内引起的炎症反应低于市售可降解缝线羊肠线，并且随着植入时间的增加，材料引起的炎症反应明显减轻：丝素含量为70％组与30％组相比降解较慢，引起的炎症反应较轻，表明其具备良好的体内组织相容性。
　　结论:
　　本研究采用静电纺丝技术制备胶原/丝素复合微纳米纤维支架，丝素的加入和戊二醛的交联作用可以改善胶原微纳米纤维的理化性能。支架体外接种成纤维细胞后，细胞在纤维表面贴附牢固，生长状态良好，增殖效果明显，表明该复合纤维支架具备良好的细胞相容性。皮下埋植实验结果显示该复合纤维支架具备良好的体内生物相容性，在组织工程中具备很好的应用潜力。