CN105330880A

CN105330880A - 一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法

Info

Publication number: CN105330880A
Application number: CN201510787451.9A
Authority: CN
Inventors: 何丹农; 阳俊; 周涓; 张彬; 金彩虹; 陈世益; 蒋佳
Original assignee: Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Current assignee: Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-02-17

Abstract

本发明涉及一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，其制备过程主要包括：超高分子量聚乙烯的表面氧化处理、丝素蛋白溶液的提取、丝素蛋白涂层的制备。通过上述方法制备的丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带结合了高分子量聚乙烯和丝素蛋白的优势，高分子量聚乙烯使复合人工韧带具有高强度、高模量、韧性和耐磨性俱优的特点；丝素蛋白涂层使复合韧带显示更好的表面生物学性能，以利于细胞的粘附增殖和新生组织的生长；通过铬酸氧化处理超高分子量聚乙烯，改善超高分子量聚乙烯表面的亲水性能。

Description

一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法

技术领域

本发明涉及生物医学材料技术领域，具体涉及一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料及其制备方法。

背景技术

前交叉韧带（ACL）损伤的治疗是近年来国内外运动医学研究的热点，而ACL重建手术是治疗ACL损伤的主要方法。ACL重建移植物选择包括自体肌腱、异体肌腱以及人工韧带。自体肌腱移植物应用较广泛，但存在肌腱供区损害、延迟康复锻炼及重建翻修术移植物来源缺乏等问题。同种异体肌腱移植物，虽然避免牺牲自体肌腱组织，但是来源越来越困难，存在疾病传播以及免疫排异反应等风险。相比之下，人工韧带具有手术操作简单，材料来源可靠可控，不损伤自体组织，且术后稳定性好等优点，在韧带重建修复中具有更广泛的应用。

目前较常用于制作人工韧带的材料有合成的碳素纤维、碳支架结合胶原或聚酯、聚四氟乙烯纤维合成的聚合物、涤纶、聚丙烯等。但此类材料往往伴随着一些缺陷：生物相容性不好，韧带表面细胞和组织无法正常生长，易引起异物排斥反应；材料硬度高，无周期性张弛，易疲劳及折断；随关节活动韧带在关节内的蠕变，人工韧带会被永久性地拉长，从而导致膝关节的不稳定。

超高分子量聚乙烯作为高性能增强材料之一，因其具有高强度高模量的独特力学特性以及耐腐蚀耐磨损的优异性能，现已作为人工关节材料被广泛研究。超高分子量聚乙烯纤维化学上不活泼，表面能低，表面缺乏极性基团，且是高度对称的亚甲基结构，使得纤维具有很高的结晶度和取向度，这一方面保证了具有较优异的力学性能；另一方面，也使得纤维表面的化学惰性特别突出，浸润性差，导致材料生物相容性差，不利于细胞在其表面的粘附、增殖和分化。因此，开发一种通过生物活性涂层改善超高分子量聚乙烯表面浸润性和生物相容性的方法对超高分子量聚乙烯在生物材料中的应用显得尤为重要。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，以便得到一种具有优异的生物相容性、力学性能和耐磨性的人工韧带材料。

一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）超高分子量聚乙烯的表面氧化处理：将超高分子量聚乙烯浸泡在75%（v/v）的乙醇中清洗2h，取出并用去离子水冲洗干净，以除去材料表面的杂质，然后置于铬酸溶液中超声氧化处理，再去离子水清洗直至水洗溶液呈中性，室温下干燥；

（2）丝素蛋白溶液的提取：将蚕茧使用0.5%（w/w）的Na₂CO₃溶液煮沸并维持60min以脱去丝胶，用水冲洗后于60℃下干燥得到丝素，然后将丝素溶解在混合溶剂中，所得溶液用分子量为12000-14000的透析膜透析72h以除去盐分；透析后的溶液经离心处理即得丝蛋白水溶液，置于4℃保存，以备用；

（3）丝素蛋白涂层的制备：将表面氧化处理后的超高分子量聚乙烯材料浸泡在步骤（2）中的丝素蛋白溶液中，4℃下浸渍6-24h后于室温下真空干燥，然后将上述材料置于80%（v/v）的乙醇溶液中浸泡1-3h，进一步固定涂层，室温下干燥后即制得丝素蛋白涂层。

所述的铬酸溶液的浓度为K₂Cr₂O₇：H₂SO₄：H₂O=1：20-30：2（w/v/w）。

所述的超声氧化处理温度为50-70℃。

所述的超声氧化处理时间为10-30min。

所述的混合溶剂为氯化钙/水/乙醇三元溶剂、或溴化锂水溶液、或硝酸钙/甲醇/水三元溶剂。

所述的丝蛋白水溶液的浓度为0.1%-10%（w/w）。

丝素蛋白的涂层量为2%~20%（wt%），涂层厚度为50nm-300nm。

上述方法制得的丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料，其超高分子量聚乙烯表面的丝素蛋白涂层量为2%~20%（wt%），涂层厚度为50nm-300nm。

本发明具有如下优点：（1）本发明采用超高分子量聚乙烯作为人工韧带复合材料基体，具有高强度、高模量、韧性和耐磨性俱佳的优点；（2）利用丝素蛋白生物相容性好的优势，通过表面涂层方式使复合韧带显示更好的表面生物学性能，以利于细胞的粘附增殖和新生组织的生长；（3）通过铬酸氧化处理超高分子量聚乙烯，改善超高分子量聚乙烯表面的亲水性能，使丝素蛋白涂层更均匀的沉积在超高分子量聚乙烯表面，提高涂层与基体的结合力。

附图说明

图1为实施例1所制备的丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带的SEM图：(a)超高分子量聚乙烯；(b)丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带。

图2为实施例1所制备的丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带的FTIR图：(a)超高分子量聚乙烯；(b)丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带。

图3为小鼠胚胎成纤维细胞在实施例1所制备的人工韧带材料表面的细胞增殖曲线：A组为超高分子量聚乙烯；B组为丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下的实施例是对本发明的进一步说明，而不限制本发明的范围。

实施例1：

（1）超高分子量聚乙烯的表面氧化处理：剪取尺寸为2cm×2cm×1mm的超高分子量聚乙烯浸泡在75%（v/v）的乙醇中清洗2h，取出并用去离子水冲洗干净，以除去材料表面的杂质，然后置于浓度为K₂Cr₂O₇：H₂SO₄：H₂O=1：20：2（w/v/w）的铬酸溶液中，60℃下超声氧化处理15min，再去离子水清洗直至水洗溶液呈中性，室温下干燥。

（2）丝素蛋白溶液的提取：将20g蚕茧加入1L0.5%（w/w）的Na₂CO₃溶液中煮沸并维持60min以脱去丝胶，用水冲洗后于60℃下干燥得到丝素，然后将丝素按摩尔比CaCl₂：H₂O：无水乙醇=1：8：2溶解于该混合溶剂中，所得溶液用分子量为12000-14000的透析膜透析72h以除去盐分；透析后的溶液经离心、浓缩处理，得浓度为2%的丝蛋白水溶液，置于4℃保存，以备用。

（3）丝素蛋白涂层的制备：将表面氧化处理后的超高分子量聚乙烯材料浸泡在步骤（2）中的丝素蛋白溶液中，4℃下浸渍12h后于室温下真空干燥，然后将上述材料置于80%（v/v）的乙醇溶液中浸泡2h，进一步固定涂层，室温下干燥后即制得丝素蛋白涂层。

所得到的丝素蛋白涂层的超高分子量聚乙烯复合人工韧带的SEM图见附图1(b)，其红外光谱图见附图2(b)；细胞在材料表面的增殖情况见附图3。可以看出丝素蛋白涂层均匀的分布在超高分子量聚乙烯表面，具有丝素蛋白涂层的材料相比超高分子量聚乙烯具好的生物相容性，更有利于小鼠胚胎成纤维细胞的粘附和增殖。超高分子量聚乙烯表面的丝素蛋白涂层量为12.5%（wt%），涂层厚度为200nm。

实施例2：

（1）超高分子量聚乙烯的表面氧化处理：剪取尺寸为2cm×2cm×1mm的超高分子量聚乙烯浸泡在75%（v/v）的乙醇中清洗2h，取出并用去离子水冲洗干净，以除去材料表面的杂质，然后置于浓度为K₂Cr₂O₇：H₂SO₄：H₂O=1：25：2（w/v/w）的铬酸溶液中，50℃下超声氧化处理30min，再去离子水清洗直至水洗溶液呈中性，室温下干燥。

（2）丝素蛋白溶液的提取：将20g蚕茧加入1L0.5%（w/w）的Na₂CO₃溶液中煮沸并维持60min以脱去丝胶，用水冲洗后于60℃下干燥得到丝素，然后将丝素溶解在9.3mol/L的LiBr水溶液中，所得溶液用分子量为12000-14000的透析膜透析72h以除去盐分；透析后的溶液经离心、浓缩处理，得浓度为0.25%的丝蛋白水溶液，置于4℃保存，以备用。

（3）丝素蛋白涂层的制备：将表面氧化处理后的超高分子量聚乙烯材料浸泡在步骤（2）中的丝素蛋白溶液中，4℃下浸渍6h后于室温下真空干燥，然后将上述材料置于80%（v/v）的乙醇溶液中浸泡1h，进一步固定涂层，室温下干燥后即制得丝素蛋白涂层。

所得到的丝素蛋白涂层的超高分子量聚乙烯复合人工韧带，其超高分子量聚乙烯表面的丝素蛋白涂层量为2.0%（wt%），涂层厚度为50nm。

实施例3：

（1）超高分子量聚乙烯的表面氧化处理：剪取尺寸为2cm×2cm×1mm的超高分子量聚乙烯浸泡在75%（v/v）的乙醇中清洗2h，取出并用去离子水冲洗干净，以除去材料表面的杂质，然后置于浓度为K₂Cr₂O₇：H₂SO₄：H₂O=1：30：2（w/v/w）的铬酸溶液中，70℃下超声氧化处理10min，再去离子水清洗直至水洗溶液呈中性，室温下干燥。

（2）丝素蛋白溶液的提取：将20g蚕茧加入1L0.5%（w/w）的Na₂CO₃溶液中煮沸并维持60min以脱去丝胶，用水冲洗后于60℃下干燥得到丝素，然后将丝素溶解在9.3mol/L的LiBr水溶液中，所得溶液用分子量为12000-14000的透析膜透析72h以除去盐分；透析后的溶液经离心、浓缩处理，得浓度为10%的丝蛋白水溶液，置于4℃保存，以备用。

（3）丝素蛋白涂层的制备：将表面氧化处理后的超高分子量聚乙烯材料浸泡在步骤（2）中的丝素蛋白溶液中，4℃下浸渍24h后于室温下真空干燥，然后将上述材料置于80%（v/v）的乙醇溶液中浸泡3h，进一步固定涂层，室温下干燥后即制得丝素蛋白涂层。

所得到的丝素蛋白涂层的超高分子量聚乙烯复合人工韧带，其超高分子量聚乙烯表面的丝素蛋白涂层量为20%（wt%），涂层厚度为300nm。

Claims

1.一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，其特征在于，所述的铬酸溶液的浓度为K₂Cr₂O₇：H₂SO₄：H₂O=1：20-30：2（w/v/w）。

3.根据权利要求1所述的一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，其特征在于，所述的超声氧化处理温度为50-70℃。

4.根据权利要求1所述的一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，其特征在于，所述的超声氧化处理时间为10-30min。

5.根据权利要求1所述的一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，其特征在于，所述的混合溶剂为氯化钙/水/乙醇三元溶剂、或溴化锂水溶液、或硝酸钙/甲醇/水三元溶剂。

6.根据权利要求1所述的一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，其特征在于，所述的丝蛋白水溶液的浓度为0.1%-10%（w/w）。

7.根据权利要求1所述的一种丝素蛋白活性涂层超高分子量聚乙烯复合人工韧带材料的制备方法，其特征在于，丝素蛋白的涂层量为2%~20%（wt%），涂层厚度为50nm-300nm。