靜電紡絲素蛋白組織工程支架的增強(qiáng)改性研究進(jìn)展

江楠楠，范蘇娜，張耀鵬，邵惠麗，胡學(xué)超

(纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

靜電紡絲素蛋白組織工程支架的增強(qiáng)改性研究進(jìn)展

江楠楠，范蘇娜，張耀鵬*，邵惠麗，胡學(xué)超

(纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

常規(guī)靜電紡絲法制得的絲素蛋白纖維氈的力學(xué)性能較差，不能很好地滿足人體對生物組織工程支架的要求。為了提高絲素蛋白組織工程支架的力學(xué)性能，對絲素蛋白纖維氈進(jìn)行增強(qiáng)改性是目前研究的熱點(diǎn)。文章簡要介紹了絲素蛋白的結(jié)構(gòu)和性能及其在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究，重點(diǎn)總結(jié)了提高靜電紡絲素蛋白纖維氈力學(xué)性能的3種方法，即后處理、添加增強(qiáng)組分以及制備取向納米纖維。

絲素蛋白 靜電紡絲 有序排列纖維 后處理

絲素蛋白(silk fibroin，簡稱SF)不僅具有良好的透氧透氣性、機(jī)械性能、生物相容性，而且還可以通過改變相應(yīng)的加工參數(shù)調(diào)節(jié)其降解速率，成為生物支架材料的理想選擇［1］。靜電紡絲技術(shù)是一種很好的制備組織工程支架的方法，已廣泛應(yīng)用于組織工程支架領(lǐng)域。

常規(guī)的靜電紡制備SF纖維氈過程中，由于SF溶解過程中二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并且紡絲過程中存在著一種不穩(wěn)定的“鞭動(dòng)”狀態(tài)，在快速成型到平板接收裝置時(shí)，SF分子來不及排列和取向，導(dǎo)致收集到的纖維排列雜亂無章，結(jié)晶度和取向度低、力學(xué)性能差，不能很好地滿足人體對生物組織工程支架的要求，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的應(yīng)用，因此迫切需要制備力學(xué)性能優(yōu)異的SF纖維氈，以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

1 靜電紡SF纖維氈

1.1 SF的結(jié)構(gòu)和性能

蠶絲在組成上主要由絲膠和SF兩部分構(gòu)成。SF是一種高分子蛋白，無生理活性，含量約占蠶絲的70%～80%。SF含有18種氨基酸，其中甘氨酸(Gly)、丙氨酸(ALa)和絲氨酸(Ser)約占總組成的80% 以上［2］。

桑蠶絲SF由3個(gè)亞單元組成:重鏈(H鏈)蛋白亞單元、輕鏈(L鏈)蛋白亞單元、P25蛋白。空間結(jié)構(gòu)上，SF含有無規(guī)線團(tuán)、α-螺旋和β-折疊3種構(gòu)象，其中β折疊構(gòu)象在天然蠶絲中含量較大，對力學(xué)性能起主要作用。天然蠶絲是半結(jié)晶性聚合物，結(jié)晶度大約在55%左右。SF的結(jié)構(gòu)決定了其良好的機(jī)械性能和理化性質(zhì)，如良好的柔韌性和抗拉伸強(qiáng)度，良好的生物相容性、可降解性、透氧透氣性等，且材料降解后可被生物體吸收，無細(xì)胞毒性，可以通過某些氨基酸的氨基和側(cè)鏈的化學(xué)修飾較容易地改變表面性能。

1.2 靜電紡SF纖維氈在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究

采用靜電紡絲技術(shù)制備的微納米纖維支架具有比表面積大、孔隙率高、纖維直徑達(dá)微納米級、纖維表面能和活性高、精細(xì)程度和均一性高以及具有相互連通的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)［3］，因此得到了人們的廣泛關(guān)注。靜電紡SF纖維綜合了靜電紡纖維和SF的優(yōu)點(diǎn)，成為近年來組織工程支架材料研究的對象之一［4］。采用靜電紡制備的SF微納米纖維支架材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于骨、血管、神經(jīng)、軟骨、皮膚等組織工程領(lǐng)域的研究。

Li等［5］通過體外實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)靜電紡SF纖維支持人體間充質(zhì)干細(xì)胞的生長及向成骨細(xì)胞分化，并且該材料有助于促進(jìn)骨形成。Jeong等［6］對SF表面進(jìn)行改性并成功培養(yǎng)了表皮膠質(zhì)細(xì)胞，其增殖和遷移良好。錢玉強(qiáng)等［7］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SF微納米纖維網(wǎng)支持嗅鞘細(xì)胞的黏附、生長與增殖。這些研究工作都表明了SF作為一種良好的細(xì)胞生長介質(zhì)，能促進(jìn)多種組織細(xì)胞的生長和繁殖，且修飾后的SF更適于不同細(xì)胞的生長，在制備組織工程支架方面具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

2 靜電紡SF纖維氈的增強(qiáng)改性研究

SF分子是蠶絲脫膠溶解后經(jīng)提純得到，其二級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，且靜電紡纖維數(shù)秒內(nèi)成型，溶劑揮發(fā)快，因此高分子質(zhì)量的SF分子沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行重排和結(jié)晶，導(dǎo)致收集到的初生纖維結(jié)晶度和取向度低［8］，力學(xué)性能差。

黃建［9］以甲酸為溶劑，制備了靜電紡SF纖維氈，并在最佳工藝參數(shù)條件下對纖維氈的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，其斷裂強(qiáng)度為(8.1 ±2.4)MPa，斷裂伸長率為(18.1±2.5)%，彈性模量為(167±35)MPa。Park等［10］制備了基于六氟異丙醇(HFIP)為溶劑的初生靜電紡SF纖維氈，力學(xué)性能測試結(jié)果表明，其斷裂強(qiáng)度為(1.3±0.2)MPa，斷裂伸長率為(7.6 ±1.7)%，彈性模量為(17.7 ±6.8)MPa。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的碳納米管后，材料的力學(xué)性能顯著增強(qiáng)至(13.89±0.9)MPa，但有機(jī)溶劑殘留對SF的生物相容性有一定影響，此后有人研究了以水為溶劑的SF纖維氈的力學(xué)性能。王洪等［11］首次從濃度為10%的再生絲素蛋白水溶液中制得了絲素蛋白無紡布，在此基礎(chǔ)上，陳辰等［12］將濃縮至30%左右的SF水溶液進(jìn)行靜電紡絲，并對初生SF纖維氈的力學(xué)性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明纖維氈的斷裂強(qiáng)度為0.82 MPa，斷裂伸長率為0.76%。杭怡春等［13］以水為溶劑，采用靜電紡絲法制備了無規(guī)取向的再生絲素蛋白納米纖維氈，力學(xué)性能測試表明，斷裂強(qiáng)度最高達(dá)到(1.06 ±0.23)MPa，斷裂伸長率為(0.96±0.16)%?？梢钥闯?，以水為溶劑的SF纖維氈的力學(xué)性能尚無法滿足組織工程的使用要求，還需采用其它方法對其增強(qiáng)。

2.1 后處理增強(qiáng)

再生SF纖維的理化性能很大程度依賴于分子構(gòu)象和結(jié)晶度，其中穩(wěn)定的β-折疊結(jié)構(gòu)是其獲得理想機(jī)械性能的必要條件［14］。后處理能有效誘導(dǎo)SF發(fā)生由無規(guī)卷曲向β-折疊構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，提高靜電紡SF纖維的結(jié)晶度和取向度，改善其力學(xué)性能［15，16］。目前靜電紡RSF纖維氈后處理的方法主要有:a)甲醇、乙醇等有機(jī)溶劑溶液或蒸汽處理;b)水蒸氣處理;c)拉伸處理。

2.1.1 基于有機(jī)溶劑的靜電紡SF纖維氈

黃建［9］以甲酸為溶劑，制備了靜電紡SF纖維氈，經(jīng)90vol%的乙醇處理后其斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率和楊氏模量分別達(dá)到(12.9 ±3.1)MPa、(10.5 ±1.9)%和(309 ±41)MPa。Gandhi等［17］將以甲酸為溶劑的靜電紡SF纖維氈在90vol%甲醇水溶液中浸泡并拉伸。測試結(jié)果表明，經(jīng)甲醇浸泡和拉伸處理后，纖維氈的力學(xué)性能有很大程度的提高，其斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于只用甲醇處理的纖維氈。Park等［10，18，19］研究了以六氟異丙醇(HFIP)為溶劑，并使用甲醇和水蒸氣處理的再生SF納米纖維。結(jié)果表明，甲醇和水蒸氣均能誘導(dǎo)SF由無規(guī)構(gòu)象向β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變，且后處理溫度對纖維構(gòu)象轉(zhuǎn)變速率有明顯的影響，符合時(shí)溫等效原理。

2.1.2 基于水為溶劑的靜電紡SF纖維氈

陳辰等［12］用甲醇對基于水為溶劑的初生SF纖維氈進(jìn)行后處理，結(jié)果表明處理后的纖維氈的斷裂強(qiáng)度由初生纖維氈的0.82 MPa提高到1.49 MPa，斷裂伸長率由0.76%提高到1.63%。邵正中等［20］制備了以水為溶劑的靜電紡SF纖維氈并用純乙醇溶液進(jìn)行后處理。結(jié)果表明乙醇處理能促進(jìn)SF纖維氈由silkⅠ結(jié)構(gòu)向silkII結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，纖維氈結(jié)晶度明顯增加。不同條件下制得的靜電紡SF纖維氈的機(jī)械性能列于表1中。由表1可知，基于六氟異丙醇和甲酸有機(jī)溶劑的靜電紡SF纖維氈要比以水為溶劑的靜電紡SF纖維氈的力學(xué)性能好，而且甲酸溶劑體系的最好。為了避免使用有機(jī)溶劑，有必要進(jìn)一步提高以水為溶劑的靜電紡SF纖維氈的力學(xué)性能。

總體來說，對于不同體系制備的SF纖維氈，采用乙醇后處理、水蒸氣處理、拉伸后處理以及3種方法的結(jié)合都可有效提高其力學(xué)性能，并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

表1 不同條件下制得的靜電紡SF纖維氈的機(jī)械性能

2.2 添加增強(qiáng)組分增強(qiáng)

很多研究人員利用物理改性的原理，在SF紡絲液中添加其它增強(qiáng)組分以提高SF纖維氈的力學(xué)性能。

黃建［9］制備了 SF/桑皮納米纖維素晶須(CNW)復(fù)合納米纖維氈，CNW質(zhì)量百分比為4%的復(fù)合納米纖維氈經(jīng)乙醇處理后，其斷裂強(qiáng)度達(dá)到38.5 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未加入 CNW 時(shí)的斷裂強(qiáng)度(12.9 ±3.1)MPa。杭怡春等［13］以水為溶劑，采用靜電紡絲法制備了SF/絲膠納米纖維氈，其斷裂強(qiáng)度最高達(dá)到(2.45 ±0.59)MPa，斷裂伸長率為(0.59±0.13)%，相比于相同方法制備的SF纖維氈有所提高。分析原因可能是絲膠分子與SF分子形成了分子間氫鍵，另外絲膠的加入也會(huì)降低體系的pH值，引起蛋白質(zhì)分子間相互作用的增大。Gandhi等［17］利用碳納米管(CNT)高強(qiáng)高模的性質(zhì)，以甲酸為溶劑制得了CNT增強(qiáng)的SF纖維氈。進(jìn)一步在90 vol%甲醇水溶液中浸泡并拉伸處理后，纖維氈的力學(xué)性能有很大程度的提高。Zhang等［21］將SF和乳酸與己內(nèi)酯共聚物(P(LLA-CL))共混制備了以六氟異丙醇(HFIP)為溶劑的納米纖維支架，結(jié)果表明加入P(LLA-CL)可改善材料的脆性，其斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率相應(yīng)提高，斷裂強(qiáng)度可達(dá)到(10.60±2.45)MPa。添加了不同增強(qiáng)組分的SF纖維氈的力學(xué)性能列于表2中。

表2 添加了不同增強(qiáng)組分SF纖維氈的力學(xué)性能

2.3 制備有序排列的納米纖維增強(qiáng)

靜電紡纖維氈的力學(xué)性能差的一個(gè)主要原因是靜電紡絲過程中存在著一種不穩(wěn)定的“鞭動(dòng)”狀態(tài)，使得接收到的SF纖維排列往往是雜亂無章的［22］，通過制備有序排列的納米纖維有望改善其力學(xué)性能。

研究人員試圖通過旋轉(zhuǎn)的輥筒接收裝置對噴射流的物理牽伸獲得取向納米纖維。輥筒以每分鐘幾千轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)，從而使靜電紡納米纖維在輥筒表面取向。McClure等［23］通過一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的直徑為12 cm的輥筒，制備了有序排列的SF/聚己內(nèi)酯(PCL)、SF/聚二惡烷酮(PDO)纖維來提高SF材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速為8 r/s時(shí)的PCL/SF、PDO/SF纖維氈的最大斷裂強(qiáng)度從1.1 MPa和0.9 MPa提高到轉(zhuǎn)速為133.33 r/s時(shí)的 2.6 MPa和1.7 MPa，斷裂伸長率由0.8%和1.1%增加到1.7%和1.4%。不同轉(zhuǎn)速下輥筒制備的纖維氈的力學(xué)性能列于表3中。

表3 不同轉(zhuǎn)速下利用輥筒收集裝置制備的SF纖維氈的力學(xué)性能

除了采用輥筒接收裝置可制備靜電紡取向纖維氈外，框架式、輔助磁場式以及水浴式收集裝置等都是有效制備高度有序纖維的方法，但這些收集裝置目前僅用于研究聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)、聚醋酸乙烯(PVAc)等人工合成聚合物，Li等［5］將兩塊平行放置并有一定間隔的硅板作為靜電紡收集裝置，得到了PVP取向納米纖維，Smit等［24］將靜電紡接收裝置改為盛有水的玻璃培養(yǎng)皿，制備連續(xù)取向的 PAN、PVAc纖維，Yang等［25］發(fā)明了一種磁化靜電紡絲的方法用于生產(chǎn)高度取向的PVA纖維。如果將這些接收裝置應(yīng)用于SF體系，則可能更有效地制備有序排列的靜電紡SF纖維氈。

3 展望

對SF纖維氈進(jìn)行多種后處理、添加增強(qiáng)組分以及制備有序排列的SF納米纖維等方法均可以有效提高其力學(xué)性能。結(jié)合以上增強(qiáng)方法，還可以通過制備多層有序的SF復(fù)合纖維氈，確定具有優(yōu)異力學(xué)性能的最佳纖維氈的厚度、復(fù)合層數(shù)和角度，為進(jìn)一步提高SF纖維氈的力學(xué)性能提供可能，以滿足生物體對組織工程支架的使用要求，并有望應(yīng)用于尿道、神經(jīng)、肌肉、血管、肌腱和韌帶等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

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Research progress in reinforced silk fibroin tissue engineering scaffolds

Jiang Nannan，F(xiàn)an Suna，Zhang Yaopeng，Shao Huili，Hu Xuechao
(State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials，College of Materials Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

Traditional electrospun silk fibroin(SF)mats normally show poor mechanical properties and limit the application of SF in tissue engineering.In order to improve the mechanical properties，people paid great attentions to modify the electrospun SF mats recently.This review introduced the structures and properties of SF as well as the applications of electrospun SF mats in tissue engineering.Three main reinforcement methods for SF mats were summarized in detail，such as post-treatment，addition of reinforcing agent and alignment of nanofibers.

silk fibroin;electrospinning;aligned fiber;post-treatment

TQ340.64

A

1006-334X(2012)03-0015-04

2012-08-28

國家自然科學(xué)基金(21274018，81170641)，上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(12ZZ065)，上海市青年科技啟明星計(jì)劃(12QA1400100)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。

江楠楠，女，山東菏澤人，碩士生，研究方向?yàn)殪o電紡絲。

張耀鵬，zyp@dhu.edu.cn