絲素/膠原纖維針刺支架材料的制備和性能測試

白蓮村 柯勤飛 黃 晨

東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

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絲素/膠原纖維針刺支架材料的制備和性能測試

白蓮村 柯勤飛 黃 晨

東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620

研究不同質(zhì)量配比的絲素纖維(SF)、膠原纖維(CF)混合對(duì)支架材料性能的影響。將SF/CF分別以10/0、3/1、1/1、1/3、0/10的質(zhì)量配比混紡，并經(jīng)針刺加固成非織造支架材料。采用掃描電子顯微鏡、紅外光譜、X射線、孔徑測試、接觸角測試，比較分析支架材料的均勻度、力學(xué)性能、孔徑與孔隙率、親水性、生物相容性。結(jié)果表明，當(dāng)絲素纖維與膠原纖維的質(zhì)量配比為1/3時(shí)，支架面密度、厚度誤差均不大于10%，斷裂強(qiáng)力達(dá)到529.77 N，斷裂伸長率達(dá)到33.18%，接觸角為47.80°，孔徑主要集中在20～100 μm，孔隙率為90%，初步達(dá)到半月板支架材料的性能要求。

絲素纖維，膠原纖維，針刺，支架材料

理想的半月板組織工程支架材料應(yīng)該具有與半月板相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和生物活性，以及良好的生物相容性和親水性，并具有一定的孔徑和孔隙率，以滿足細(xì)胞生長的條件，能與半月板受損表面發(fā)生化學(xué)鍵合，從而達(dá)到修復(fù)組織缺損的目的[1]。沙川華等[2]等利用生物材料力學(xué)性能測試系統(tǒng)測得半月板的斷裂強(qiáng)度范圍在(1.31±0.33)～(5.36±2.32)MPa。千建峰[3]探究發(fā)現(xiàn)孔徑大于100 μm的支架對(duì)細(xì)胞的增殖具有良好的促進(jìn)作用。

膠原纖維屬于再生動(dòng)物蛋白質(zhì)纖維，用于制備膠原纖維的膠原蛋白是動(dòng)物體內(nèi)含量最多的一類蛋白質(zhì)[4]。膠原纖維具有生物相容性優(yōu)、可降解等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是其蛋白含量普遍較低。絲素蛋白纖維是天然的蛋白質(zhì)纖維，其最大的特點(diǎn)是生物相容性良好、可降解、力學(xué)性能突出等[5]。絲素蛋白是嵌段共聚物，其中親水性的β- 折疊鏈嵌段占據(jù)主體的大部分，這些嵌段之間靠親水片段連接。這種β- 折疊鏈結(jié)構(gòu)提供了絲素蛋白較強(qiáng)的韌性和力學(xué)性能[6]。

本試驗(yàn)將膠原纖維和絲素纖維按不同質(zhì)量比混合，然后通過針刺非織造工藝制備軟半月板組織工程支架材料，對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行測試，選擇適合細(xì)胞生長的理想支架材料方案。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料和儀器

膠原纖維(上海全宇生物科技遂平有限公司)，絲素纖維(上海步克醫(yī)藥科技有限公司)，ASI8IA型梳棉試驗(yàn)梳理機(jī)，WFC-100型針刺機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 絲素/膠原復(fù)合纖網(wǎng)制備

將兩種纖維原料均勻混合進(jìn)行開松，然后通過ASI8IA型梳理機(jī)對(duì)開松好的纖維進(jìn)行梳理，得到面密度為100 g/m2的纖網(wǎng)。將兩張相同的纖網(wǎng)疊加，通過WFC-100型針刺機(jī)加固，得到面密度為200 g/m2的支架。絲素(Ms)/膠原(Mc)質(zhì)量比如表1所示，共制備5組。

表1 每組的絲素/膠原質(zhì)量比

1.2.2 復(fù)合纖網(wǎng)的性能測試和表征

(1) 均勻性。通過測試?yán)w網(wǎng)的面密度、厚度、透氣率來間接得到纖網(wǎng)的均勻性。

(2) 力學(xué)性能。濕態(tài)材料需要在模擬人體體液環(huán)境[37 ℃的PBS緩沖液(7.2≤pH≤7.5)]中浸泡2 h， 每組測試5個(gè)試樣。

(3) 孔徑和孔隙率。將每組纖網(wǎng)裁剪成3 cm×3 cm 的試樣，均勻涂抹浸潤液至試樣充分浸潤，置于載物臺(tái)上進(jìn)行測試?？讖降姆植纪ㄟ^孔徑儀自動(dòng)獲得；孔隙率的計(jì)算式為：

Pr=[100×(W1-W2)] /ρV

式中：Pr代表孔隙率, %；W1代表濕態(tài)質(zhì)量,g；W2代表干態(tài)質(zhì)量,g；ρ代表浸潤液密度,g/cm3；V代表體積, cm3。

(4) 接觸角。將纖網(wǎng)裁剪成10 mm×30 mm的試樣，固定在玻璃片上進(jìn)行接觸角測試。

(5) 生物相容性。本試驗(yàn)采用MTT法對(duì)支架材料進(jìn)行生物相容性測試，波長492 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖網(wǎng)均勻度

隨著絲素纖維的含量增加，成網(wǎng)難度提高，成網(wǎng)率越低，只有在相對(duì)濕度80%以上的條件下才能成網(wǎng)。其次，絲素纖維含量越高，纖維損失率越高，達(dá)到12%～35%。再者，絲素纖維含量高，成網(wǎng)過程中形成大量的飛花，造成大量的資源浪費(fèi)。表2顯示了隨著絲素纖維含量增加，纖網(wǎng)的厚度和透氣性的均勻程度降低，厚度偏差范圍在4.34%～26.26%，透氣性的均勻度范圍為9.00%～16.78%。這可能是由于絲素纖維的表面光滑，纖維間的抱合力低，故紡絲過程中產(chǎn)生較多的損耗，并且易造成接收裝置上的纖網(wǎng)不均勻。

表2 纖網(wǎng)基本性能測試結(jié)果

2.2 纖網(wǎng)力學(xué)性能

圖1顯示了干態(tài)和濕態(tài)下隨著膠原纖維的含量增加，纖網(wǎng)的斷裂強(qiáng)度增大，斷裂伸長率降低，拉伸模量沒有明顯的變化，呈微弱的上升趨勢，抗彎剛度明顯增加。這主要是因?yàn)槟z原纖維的斷裂強(qiáng)度高于絲素纖維。其次，膠原纖維的細(xì)度和卷曲度大于絲素纖維，所以膠原纖維之間的抱合力較強(qiáng)，膠原纖維含量高的支架材料的斷裂強(qiáng)度較高。再次，對(duì)同種支架材料，濕態(tài)下的強(qiáng)力高于干態(tài)下，且隨著膠原纖維含量的增加，對(duì)應(yīng)組的濕態(tài)支架材料的強(qiáng)力增加越快。這是由于纖維與纖維之間充滿了自由水，纖維的晶區(qū)和非晶區(qū)也充分吸收了水分而達(dá)到飽和，分子鏈間的空隙被部分水分子占據(jù)，纖維直徑變粗，纖維表面間的接觸面積擴(kuò)大，接觸點(diǎn)的擠壓力增加，纖維之間的摩擦抱合更充分。在這樣的情況下，同種支架材料中，隨著膠原纖維含量的增加，支架材料的吸水能力越強(qiáng)，纖維內(nèi)部吸收的結(jié)合水的含量越高，纖維之間的空隙就越來越小，纖維之間的摩擦和糾纏就越充分，使得支架材料最終表現(xiàn)出來的強(qiáng)力越高。

(a) 干態(tài)

(b) 濕態(tài)

2.3 纖網(wǎng)孔徑和孔隙率

如圖2所示，隨著膠原纖維的含量提高，纖網(wǎng)的平均孔徑越大，且孔徑分布范圍越大?？讖降拇笮∨c纖維的細(xì)度有密切關(guān)系，纖維直徑小，孔徑隨之減小。由于細(xì)胞生長對(duì)孔徑的要求很高，孔徑結(jié)構(gòu)為細(xì)胞分泌細(xì)胞外基質(zhì)提供了良好的物理環(huán)境。支架材料的孔隙率如圖3所示，均大于標(biāo)準(zhǔn)孔隙率。有試驗(yàn)表明當(dāng)孔隙率小于90%時(shí)，埋入小鼠體內(nèi)的支架在24周后，表面塌陷部分較少，斷面結(jié)構(gòu)變化不明顯[3]。

圖2 不同纖網(wǎng)孔徑分布

圖3 支架孔隙率

2.4 纖網(wǎng)親水性

從表3中可以看到，隨著絲素纖維含量的增加，支架材料的接觸角逐漸增大，而接觸角與織物的親水性成正相關(guān)，其中親水性較好的兩種支架的比例為SF/CF=1/3和SF/CF=0/10，纖網(wǎng)的接觸角分別為47.80°和38.37°。這可能是由于試驗(yàn)用絲素纖維脫膠后的練減率較高[7]，影響了絲素對(duì)水分的吸收。蠶絲的脫膠工藝有很多，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，常見的有皂煮法、生物酶法、酸法和堿法等，其中生物酶法的除膠效果最好，但白度較差。由于絲素中的甘氨酸和丙氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占70%以上，其中—NH2、—COOH、 —OH等親水性基團(tuán)約占30%，其吸濕、放濕性較高，故吸水性能很高；絲素周圍包裹絲膠和少量蠟質(zhì)等非親水物質(zhì)作為保護(hù)層，故而絲膠的去除率越高，其親水性能越好。

表3 纖網(wǎng)接觸角測試結(jié)果

2.5 生物相容性

圖4顯示了MC3T3成骨細(xì)胞在第Ⅳ組支架材料的MTT試驗(yàn)中的增殖情況。通過分析可知，隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，細(xì)胞增殖情況顯著。相對(duì)于對(duì)照組而言，該復(fù)合支架材料更有利于細(xì)胞增殖，在培養(yǎng)時(shí)間達(dá)第5天時(shí)，細(xì)胞增殖效果非常顯著，說明該復(fù)合支架材料的生物相容性良好。

圖4 成骨細(xì)胞增殖情況

3 結(jié)論

采用不同質(zhì)量比的絲素/膠原纖維進(jìn)行混紡，可實(shí)現(xiàn)兩種纖維的優(yōu)勢結(jié)合。通過反復(fù)大量的試驗(yàn)嘗試，得到：

(1) 絲素纖維不容易單獨(dú)進(jìn)行梳理成網(wǎng)。將其

與表面較粗糙、卷曲度高的膠原纖維在高濕度狀態(tài)下進(jìn)行混紡，則可解決此問題，既有利于纖維纏結(jié)，也不易形成飛花，在誤差允許的范圍內(nèi)，第Ⅲ、第Ⅳ和第Ⅴ組的支架材料的均勻度較高。

(2) 對(duì)比支架材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)每一組支架材料的拉伸性能都基本能滿足半月板的要求。

(3) 隨著膠原纖維的含量增加，支架材料的孔徑范圍有所擴(kuò)大，支架材料的孔徑大于100 μm時(shí)，其細(xì)胞增殖情況良好，有利于支架材料降解，故第Ⅳ和第Ⅴ組為符合條件的纖網(wǎng)。

(4) 由于組織工程支架需要有良好的親水性能，有利于組織液的吸收和釋放，故第Ⅳ和第Ⅴ組為符合條件的纖網(wǎng)。

(5) 絲素蛋白是天然的材料提取物，細(xì)胞相容性和細(xì)胞黏附性優(yōu)。由于所用膠原纖維中膠原蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為16%，在面密度相同的兩種支架中，第Ⅳ組含有部分絲素纖維，且絲素纖維中的絲素蛋白含量遠(yuǎn)高于絲膠蛋白含量，所以第Ⅳ組的絲素蛋白和膠原蛋白的含量之和高于第Ⅴ組，即第Ⅳ組(Ms/Mc=1/3)為最優(yōu)方案，其生物相容性滿足細(xì)胞的生長要求。

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[2] 沙川華, 李龍, 張濤. 人體內(nèi)、外側(cè)半月板生物材料力學(xué)特征及比較的試驗(yàn)研究[C]//第十六屆全國運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)術(shù)交流大會(huì)(CABS 2013)論文集. 中國體育科學(xué)學(xué)會(huì)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分會(huì), 2013.

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[4] 閔雯. 膠原蛋白復(fù)合纖維的制備[D]. 北京：北京服裝學(xué)院， 2012.

[5] 孫晴晴, 劉源崗, 王士斌, 等. 微觀結(jié)構(gòu)與組織工程絲素支架研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2014，33(4):960-965.

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Preparation and performance test of tissue engineering scaffold materials of silk fibers and collagen fibers with needle-punch technique

BaiLiancun,KeQinfei,HuangChen

College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Silk fibers (SF) and collagen fibers (CF) were blended to produce scaffold materials with the weight proportion of 10/0, 3/1, 1/1, 1/3, 0/10 respectively, and the performance of the materials was studied. Evenness, mechanical properties, pore size and porosity, hydrophilicity, biocompatibility of the scaffold materials were compared and analyzed via scanning electron microscope, FT-IR, XRD, and aperture test, contact-angle test. The results showed that when the weight ratio of SF/CF was 1/3, difference of area density or thickness of scaffold materials was less than 10%. The breaking strength (529.77 N), the elongation at break (33.18%), the contact angle (47.80°), the pore size (20～100 μm) and the porosity (90%) indicated that the scaffold materials could meet the requirements for meniscus.

silk fiber, collagen fiber, needle-punch, scaffold material

2015-09-14

白蓮村，男，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樯镝t(yī)用非織造材料

TS176+.3

A

1004-7093(2016)06-0017-04