CN106581775A - 一种天然丝素蛋白纤维支架及其制备方法 - Google Patents

一种天然丝素蛋白纤维支架及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种天然丝素蛋白纤维支架及其制备方法，将脱胶丝素蛋白纤维分散于甲酸中，得到丝素纤维分散液；将氯化钠加入所述丝素纤维分散液中，得到丝素纤维‑氯化钠‑甲酸混合溶液；将丝素纤维‑氯化钠‑甲酸混合溶液挥发去除甲酸得到丝素纤维‑氯化钠固体；将丝素纤维‑氯化钠‑甲酸混合液体或丝素纤维‑氯化钠固体置于流动的水和/或有机溶剂中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；将湿态丝素纤维支架进行冷冻处理、冷冻干燥即得到天然丝素蛋白纤维支架。本发明制备的天然丝素蛋白纤维支架内部结构以纤维为主，具有高孔隙率、高贯通率、优良的力学性能，非常有利于营养物质的输送、细胞的迁移、组织的生长，是理想的组织工程支架。

Description

一种天然丝素蛋白纤维支架及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种丝素蛋白纤维支架及其制备方法，可用于软组织、硬组织修复及药物缓释等再生医学领域。
背景技术
由于疾病和事故导致的器官或组织损伤和功能缺失的病人每年都有数百万之多，仅美国每年需要800多万次手术对这类病人进行救治，其经济花费在4000亿美元以上。随着现代医学和外科手术技术的发展，通过组织或器官移植来修复功能损失已经被广泛接受，然而却面临着巨大的供体缺口。通过再生医学手段体在体内或体外形成组织或器官为受损功能的修复提供了新的治疗方案。其中，组织工程支架材料的选择及构建成为该治疗方法的关键之一。
蚕丝蛋白是来源于自然界的天然高分子生物材料，具有优异的力学性质、可控的生物降解性、易加工性，特别是其与胶原同等的生物相容性而成为理想的再生医学支架的原材料。我国是蚕丝的主要生产国，蚕丝产量占世界产量的70%以上。近年来，蚕丝的研究与应用从传统的纺织领域延伸到高新技术领域，如光电子与生物医用材料，特别是作为生物医用材料已经取得了重要进展。
目前，制备丝素蛋白多孔支架的方法有很多，包括冷冻干燥、盐析法、气体发泡法、三维打印等，然而这些方法都依然存在一些难以克服的不足。例如，冷冻干燥法易形成片层结构，不利于细胞与组织生长，尽管现有技术报道了一种反复进行膜溶解控制丝素蛋白自组装形成纳米纤维结构，进而形成多孔支架，但效率低，重复性差，并且孔壁结构的存在直接限制细胞的迁移与相互作用，组织生长也因此受限。利用静电纺丝技术制备的纤维支架被认为是组织工程理想的支架结构；然而静电纺丝技术加工复杂、产量低、且静电纺纤维膜结构致密，也不利于细胞与组织生长。
为此，克服现有加工技术与丝蛋白支架结构的上述问题，开发一种制备方法，并构建出有利于细胞与组织生长的丝素蛋白支架对丝素蛋白在生物医用材料领域的应用及再生医学的临床应用都具有非常重大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然丝素蛋白纤维支架的制备方法，及由该方法制备的天然丝素蛋白纤维支架，具有多孔支架的大孔径高空隙率优点，同时具有纤维状的内部结构特征，极大促进细胞生长，如细胞增殖与迁移、和组织生长，对组织工程技术临床应用非常有利。
为达到上述目的，本发明提供一种天然丝素蛋白纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
（1）对蚕丝进行脱胶处理，获得丝素蛋白纤维；
（2）将丝素蛋白纤维分散于甲酸中，得到丝素纤维分散液；
（3）将氯化钠加入所述丝素纤维分散液中，搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液倒入模具中，挥发去除甲酸得到丝素纤维-氯化钠固体；
（5）将丝素纤维-氯化钠-甲酸混合液体或丝素纤维-氯化钠固体置于流动的水和/或有机溶剂中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）将湿态丝素纤维支架进行冷冻处理得到冷冻体，然后对冷冻体进行冷冻干燥即得到天然丝素蛋白纤维支架。
上述技术方案中，所述蚕丝为桑蚕丝、柞蚕丝、蓖麻蚕丝或者天蚕丝，优选桑蚕丝。
上述技术方案中，所述甲酸的质量浓度为50-99%，优选80-98%。本发明以甲酸分散丝素蛋白纤维，而不溶解，制备的天然丝素纤维支架内部结构以纤维为主，具有高孔隙率、高贯通率、优良的力学性能。
上述技术方案中，所述丝素纤维分散液中，丝素纤维的质量浓度为0.1-50%，优选1-10%。
上述技术方案中，所述氯化钠的粒径为1μm～2mm，优选100-600μm。由此得到的多孔结构更有利于细胞的黏附与生长，及组织长入。
上述技术方案中，所述丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶（10-500），优选1∶（20-200）。由此得到的支架具有更为均匀的多孔结构、适宜的孔隙率，更适合细胞与组织生长。
上述技术方案中，所述有机溶剂为甲醇、乙醇。
上述技术方案中，冷冻处理的温度为-10～-196℃，冷冻干燥的温度为-10～-80℃，冷冻处理的时间少于冷冻干燥的时间；这样处理的优点是兼顾能源节约与多孔结构的稳定获取。
本发明还公开了根据上述制备方法制备的天然丝素纤维支架，其内部主要由丝素纤维构成，纤维直径为50nm-50μm，支架孔隙率大于50%，孔径范围为50μm~1mm，压缩模量为5kPa-100MPa。
本发明的天然丝素丝蛋白多孔支架因具有三维多孔结构，可以为细胞的粘附增殖、及组织的再生提供三维空间，并且有利于营养物质的传输，因此本发明进一步公开了上述天然丝素蛋白纤维支架在制备组织工程支架中的应用。
与现有技术相比，本发明直接以天然丝素纤维构建纤维多孔材料，该制备方法利用酸对蚕丝的良好分散性，及微溶黏结作用，结合处理工艺，所制备的天然丝素蛋白纤维支架内部结构以纤维为主，具有高孔隙率、高贯通率、优良的力学性能，非常有利于营养物质的输送、细胞的迁移、组织的生长，是理想的组织工程支架，并且本发明具有工艺简单、成本低、易于批量化加工的优点。
附图说明
图1为现有丝素纤维支架与实施例一制得的天然丝素纤维支架的外观与扫描电镜图；
图2为实施例二制得的天然丝素纤维支架的扫描电镜图；
图3为实施例三制得的天然丝素纤维支架的扫描电镜图；
图4为实施例四制得的天然丝素纤维支架的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
（1）天然桑蚕丝用质量分数0.05wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于88%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度2%；
（3）通过分筛获得直径200-400μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶100，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，通风中干燥去除甲酸，得到丝素纤维-氯化钠固体；
（5）将丝素纤维-氯化钠固体浸入流动水中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-20℃冷冻，然后-20℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架。
附图1为实施例一获得的天然丝素纤维支架断面的扫描电镜图（右）以及现有丝素支架扫描电镜图（左），由图可见，本发明支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约10kPa。
实施例二
（1）天然桑蚕丝用质量分数0.05wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得纯丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度2%；
（3）通过分筛获得直径200-400μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶100，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，然后浸入75%乙醇中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-10℃冷冻，然后-20℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架。
附图2为实施例二获得的天然丝素纤维支架断面的扫描电镜图，右图为放大图；由图可见，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约8kPa。
实施例三
（1）天然桑蚕丝用质量分数0.5wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得纯丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度6%；
（3）通过分筛获得直径100-200μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶30，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，通风中干燥去除甲酸，得到丝素纤维-氯化钠固体；
（5）将丝素纤维-氯化钠固体浸入流动水中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-20℃冷冻，然后-80℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架。
附图3为实施例三获得的天然丝素纤维支架断面的扫描电镜图，右图为放大图，由图可见，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约80kPa。
实施例四
（1）天然柞蚕丝用质量分数0.5wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得纯丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度4%；
（3）通过分筛获得直径200-400μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶50，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，通风中干燥去除甲酸，得到丝素纤维-氯化钠固体；
（5）将丝素纤维-氯化钠固体浸入流动水中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-196℃冷冻，然后-10℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架。
附图4为实施例四获得的天然丝素纤维支架断面的扫描电镜图，右图为放大图；由图可见，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约30kPa。
实施例五
（1）天然天蚕丝用质量分数0.05wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得纯丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于90%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度2%；
（3）通过分筛获得直径200-400μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶100，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，然后浸入75%乙醇中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-100℃冷冻，然后-50℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约12kPa。
实施例六
（1）天然蓖麻蚕丝用质量分数0.05wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得纯丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于90%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度8%；
（3）通过分筛获得直径200-400μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶180，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，然后浸入流动水中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-10℃冷冻，然后-20℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约100kPa。
实施例七
（1）天然桑蚕丝用质量分数0.05wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得纯丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度5%；
（3）通过分筛获得直径50-80μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶30，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，然后浸入35%甲醇水溶液中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-20℃冷冻，然后-20℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约50kPa。
实施例八
（1）天然蓖麻蚕丝用质量分数0.05wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得纯丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度4%；
（3）通过分筛获得直径160-220μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶100，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，然后浸入75%乙醇中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-10℃冷冻，然后-60℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约70kPa。
实施例九
（1）天然桑蚕丝用质量分数0.05wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得纯丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度10%；
（3）通过分筛获得直径200-220μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶200，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，然后浸入去离子水中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-80℃冷冻，然后-20℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约300kPa。
实施例十
（1）天然柞蚕丝用质量分数0.05wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得纯丝素蛋白纤维；
（2）将步骤（1）的丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，丝素纤维分散液浓度6%；
（3）通过分筛获得直径60-100μm的氯化钠颗粒，然后加入丝素纤维分散液中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶50，并搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸倒入模具中，然后浸入流水中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）湿态丝素纤维支架在-20℃冷冻，然后-20℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约110kPa。

Claims (10)

1.一种天然丝素蛋白纤维支架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）对蚕丝进行脱胶处理，获得丝素蛋白纤维；
（2）将丝素蛋白纤维分散于甲酸中，得到丝素纤维分散液；
（3）将氯化钠加入所述丝素纤维分散液中，搅拌均匀，得到丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液；
（4）将丝素纤维-氯化钠-甲酸混合溶液倒入模具中，挥发去除甲酸得到丝素纤维-氯化钠固体；
（5）将丝素纤维-氯化钠-甲酸混合液体或丝素纤维-氯化钠固体置于流动的水和/或有机溶剂中去除氯化钠，得到湿态丝素纤维支架；
（6）将湿态丝素纤维支架进行冷冻处理得到冷冻体，然后对冷冻体进行冷冻干燥即得到天然丝素蛋白纤维支架。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，蚕丝为桑蚕丝、柞蚕丝、蓖麻蚕丝或者天蚕丝。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，甲酸的质量浓度为50-99%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，丝纤维分散的质量浓度为0.1-50%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，氯化钠的粒径为1μm-2mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，丝素纤维与氯化钠的质量比为1∶（10-500）。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，有机溶剂为甲醇或者乙醇。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（6）中，冷冻处理的温度为-10～-196℃，冷冻干燥的温度为-10～-80℃。
9.根据权利要求1-8所述任意一种制备方法制备的天然丝素蛋白纤维支架，其特征在于，所述天然丝素蛋白纤维支架由丝素纤维构成；所述丝素纤维的直径为50nm-50μm；所述天然丝素蛋白纤维支架的孔隙率大于50%，孔径为50μm-1mm。
10.权利要求9所述天然丝素蛋白纤维支架在制备组织工程支架中的应用。
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