丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜的制备和结构性能研究

摘要

丝素蛋白作为一种优质的生物医学材料现已广泛用于医学领域。而对丝素蛋白特性的研究和开发是利用丝素蛋白资源极其重要的基础理论问题。丝素膜是丝素蛋白应用的新途径,也是研究丝素蛋白特性的一种可靠手段。本课题以医学应用为背景,在现有的骨组织工程材料的研究基础上制备和表征了丝素蛋白/纳米生物玻璃复合骨组织工程材料,研究了纳米生物玻璃的加入对复合膜材料的结构和性能的影响。此外,初步研究和探讨了组织工程材料的制备方法,期望可拓展丝素膜的应用前景。具体工作内容和结论如下:
　　 1.采用正交实验法研究成膜过程中各工艺因素对膜材料性能影响。
　　 2.采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变化红外光谱仪(FTIR)、X射线粉末衍射仪(XRD)等分析手段表征了丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料的表面和横截面形貌,研究无机纳米生物玻璃的加入对丝素蛋白构象以及其复合膜结构的影响。结果如下:
　　 (1)SEM表明采用浇注成膜法制备的丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料,随着纳米颗粒的不断增加,复合膜材料变得粗糙且不平整。但纳米颗粒仍可均匀分散在丝素膜中,且形成无机纳米粒子嵌入式有机/无机网络结构。
　　 (2)由FTIR、XRD测试表明:纳米生物玻璃的加入,复合膜材料中丝素蛋白的构象主要以SilkⅠ为主,但部分从无规线团或SilkⅠ向SilkⅡ转变。
　　 3.对丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料的力学性能、热学性能以及亲水性能进行测试,探讨纳米生物玻璃的加入对复合膜材料性能的影响。结果如下:
　　 (1)热重分析仪(TGA)和差热重量分析法(DTG)分析表明:纯丝素膜与丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料的DTG曲线上在300℃左右都有一个明显的热转变区域,但由于纳米生物玻璃的不同结晶结构,在560℃其还有一个热转变区域。但不同含量的纳米颗粒加入后,复合膜材料的起始分解温度与纯丝素膜相比均有所提高。说明丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料的热稳定性有所提高。
　　 (2)机械性能测试结果表明:与纯丝素膜相比,随着纳米粒子含量的增加,丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜的机械强力以及断裂伸长都有一定程度地下降。
　　 (3)亲水性能的测试表明:纳米生物玻璃的加入可改善纯丝素蛋白膜材料的亲水性。随着纳米颗粒含量的增加,复合膜材料的水接触角不断减小,最低到61.5°。
　　 4.采用人体模拟体液(SBF)浸泡实验、Tris-HCl缓冲液体外降解和体外细胞培养试验对丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料的体外生物活性、可降解性能和生物相容性进行研究。结果如下:
　　 (1)人体SBF浸泡实验结果表明:采用FESEM、EDS以及FTIR等手段表征在1.5×SBF中浸泡7天后的膜材料,结果证实膜材料均有诱导类骨HA在其表面沉积的能力,但类骨HA沉积的速度却不同。试验表明纳米生物玻璃的加入能迅速促进类骨HA在丝素膜表面的沉积,具有良好的生物活性。
　　 (2)Tris-HCl缓冲液体外降解性能研究显示:丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料在Tris-HCl缓冲液中浸泡4周后,复合膜的的失重率呈现先减小后增大趋势,与纯丝素膜的失重率相比,10wt％纳米生物玻璃的复合膜其失重率更大,达到58.34％,另外,10wt％纳米生物玻璃的复合膜在Tris-HCl缓冲液中的pH值保持为7.37,避免了纯丝素的酸性降解产物所导致的溶液pH值急剧降低的现象,说明一定量纳米生物玻璃的加入可使丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料具有良好的可降解性。
　　 (3)体外细胞培养实验结果表明:成骨细胞在不同比例纳米生物玻璃复合丝素蛋白膜表面都表现出良好的细胞粘附、增殖以及分化。具有高度生物活性的纳米生物玻璃可调节细胞与材料的反应,促进细胞的分化生长。结果表明丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料具有良好的生物相容性。
　　 综上所述,纳米生物玻璃的加入改善材料的亲水性能并且使其降解速率可调。另外,丝素蛋白/纳米生物玻璃复合膜材料显示了良好的生物活性和细胞相容性,纳米生物玻璃的加入不仅可加速诱导羟基磷灰石的沉积,而且促进了细胞的贴附、增殖和分化,从而使得该复合膜材料更适合于作为骨组织工程材料使用。