CN106938057B - 一种丝素蛋白纤维支架及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种丝素蛋白纤维支架及其制备方法，蚕丝脱胶后，浸泡在酸溶液中进行分散处理，得到蚕丝纤维分散液；将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理得到蚕丝纤维冷冻体；将蚕丝纤维冷冻体浸入有机溶剂中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；将湿态丝素蛋白纤维支架进行冷处理得到冷冻体，然后对冷冻体进行冷冻干燥即得到丝素蛋白纤维支架。本发明制备的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
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丝素蛋白纤维支架的制备方法，及由该方法制备的丝素蛋白纤维支架，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，本发明提供一种丝素蛋白纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
（1）蚕丝脱胶后，浸泡在酸溶液中进行分散，得到蚕丝纤维分散液；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入水或有机溶剂中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）将步骤（3）得到的湿态丝素蛋白纤维支架进行冷处理得到冷冻体，然后对冷冻体进行冷冻干燥即得到丝素蛋白纤维支架。
上述技术方案中，所述蚕丝为桑蚕丝、柞蚕丝、蓖麻蚕丝、天蚕丝中的一种或者几种；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或几种。本发明以酸溶液溶胀蚕丝，具有广泛适用性，可直接溶胀桑蚕丝，特别还可以溶胀柞蚕丝、蓖麻蚕丝、天蚕丝等野蚕丝，从而获得单种或几种共混蚕丝纤维分散液，其中蚕丝部分可以作为粘合剂，使得纤维支架具有一定力学性能且不易散架，为丰富蚕丝制品夯实基础。
上述技术方案中，所述酸为甲酸、三氟乙酸、氢氟酸中的一种；所述酸溶液的浓度50～99 wt%。本发明以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，所述分散处理的时间为5～30分钟，对蚕丝具有良好分散性，结合微溶黏结作用，制备的丝素蛋白纤维支架内部结构以纤维为主，具有高孔隙率。
上述技术方案中，所述蚕丝纤维分散液的质量浓度为0.5～10%，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，步骤（2）中，所述冷冻处理的温度为酸溶液的冰点温度；步骤（4）中，所述冷处理的温度为-1～-80℃，冷冻干燥的温度为-1～-60℃。这样处理的优点是兼顾能源节约与多孔结构的稳定获取，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。
本发明还公开了根据上述制备方法制备的丝素蛋白纤维支架；所述丝素蛋白纤维多孔支架由直径为5μm～20μm的纤维组成；所述丝素蛋白纤维多孔支架的孔隙率大于60%，孔径为50μm～2mm。
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丝素蛋白纤维支架在制备细胞与组织生长材料中的应用。
与现有技术相比，本发明直接以蚕丝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。
特别的，本发明公开的制备多孔、大孔径丝素蛋白纤维支架的方法简单，仅采用酸分散蚕丝，无需其他化学试剂的使用，一方面避免试剂残留不利于生物材料体内应用的问题，另一方面减少纯化步骤与时间，可以极大地保持蚕丝纤维的天然性能并利于工业生产。
附图说明
图1为实施例一获得的湿态（左）、干态（中）丝素纤维支架的照片和扫描电镜图（右）；
图2为实施例二获得的丝素纤维支架的照片（左）和扫描电镜图（右）；
图3为实施例三获得的丝素纤维支架断面的扫描电镜图；
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；
图5为实施例五获得的天然丝素纤维支架断面的扫描电镜图；
图6为实施例六支架接种骨髓间充质干细胞后的荧光图；
图7为实施例六支架接种骨髓间充质干细胞一天后的荧光图；
图8为实施例六支架接种骨髓间充质干细胞五天后的荧光图。
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次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于88%甲酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度2%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-20℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入甲醇中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）将步骤（3）得到的湿态丝素蛋白纤维支架在-20℃冷冻，然后-40℃冷冻干燥，得到丝素纤维支架。
附图1为上述获得的湿态（左）、干态（中）丝素纤维支架的照片和扫描电镜图片（右），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15kPa。
实施例二
（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次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度3%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-10℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入乙醇中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）湿态丝素蛋白纤维支架在-10℃冷冻，然后-20℃冷冻干燥，得到丝素纤维支架。
附图2为上述获得的丝素纤维支架的照片（左）和扫描电镜图（右）；由图可见，支架内部主要由纤维构成，且有部分细小纤维分散于蚕丝纤维表面与纤维间，该纤维支架的压缩模量约10kPa。
实施例三
（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次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度5%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-30℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入丙醇中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）湿态丝素蛋白纤维支架在-20℃冷冻，然后-80℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架。
附图3为上述获得的丝素纤维支架断面的扫描电镜图，由图可见，支架内部主要由纤维构成，纤维未有明显分纤与宏观结构破坏，该纤维支架的压缩模量约100kPa。
实施例四
（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次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于90%三氟乙酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度4%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-80℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入乙醇中去除三氟乙酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）湿态丝素蛋白纤维支架在-196℃冷冻，然后-10℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架。
附图4为上述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，同时出现大量微细纤维组成的网状结构，该结构将有利于细胞的黏附与生长，该纤维支架的压缩模量约60kPa。
实施例五
（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次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于60%氢氟酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度3%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-80℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入乙醇中去除氢氟酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）湿态丝素蛋白纤维支架在-100℃冷冻，然后-50℃冷冻干燥，得到天然丝素纤维支架。
附图5为上述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，同时出现大量微细纤维组成的网状结构，该结构将有利于细胞的黏附与生长，该纤维支架的压缩模量约50kPa。
实施例六
（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次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度8%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-50℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入乙醇中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）湿态丝素蛋白纤维支架在-10℃冷冻，然后-20℃冷冻干燥，得到丝素纤维支架，支架内部主要由纤维构成。该纤维支架的压缩模量约150kPa。
附图6-8为上述支架接种骨髓间充质干细胞后的荧光图片；由图6可见接种后细胞开始在支架黏附；1天后（图7）细胞开始铺展，并沿纤维方向排列；接种5天后（图8），细胞大量增殖。细胞实验表面，该支架具有良好的细胞生物相容性，支持细胞的黏附、铺展与增殖等细胞生物学行为，是一种良好的生物支架。
实施例七
（1）天然蓖麻蚕丝用质量分数0.5wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度5%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-70℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入乙醇中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）湿态丝素蛋白纤维支架在-20℃冷冻，然后-20℃冷冻干燥，得到丝素纤维支架，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）天然天蚕丝用质量分数0.5wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于78%甲酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度10%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-40℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入乙醇中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）湿态丝素蛋白纤维支架在-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）天然蓖麻蚕丝用质量分数0.5wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度10%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-50℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入甲醇中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）湿态丝素蛋白纤维支架在-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）天然天蚕丝用质量分数0.5wt%的碳酸钠溶液煮沸30min脱胶，重复3次后获得丝素纤维；将丝素纤维分散于98%甲酸溶剂中，得到的蚕丝纤维分散液浓度6%；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理（温度-30℃）得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入乙醇中去除甲酸，然后用去离子水浸泡洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）湿态丝素蛋白纤维支架在-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 (4)
1.一种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）蚕丝脱胶后，浸泡在酸溶液中进行分散处理，得到蚕丝纤维分散液；
（2）将蚕丝纤维分散液注入模具中进行冷冻处理得到蚕丝纤维冷冻体；
（3）将步骤（2）的蚕丝纤维冷冻体浸入水或有机溶剂中去除甲酸，然后用去离子水充分洗涤得到湿态丝素蛋白纤维支架；
（4）将步骤（3）得到的湿态丝素蛋白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丝素蛋白纤维支架；
所述酸为甲酸；所述酸溶液的浓度50～99 wt%；所述分散处理的时间为5～30分钟；所述蚕丝纤维分散液的质量浓度为0.5～10%；所述丝素蛋白纤维支架由直径为5μm～20μm的纤维组成；所述丝素蛋白纤维支架的孔隙率大于60%，孔径为50μm～2mm。
2.根据权利要求1所述丝素蛋白纤维支架的制备方法，其特征在于：所述蚕丝为桑蚕丝、柞蚕丝、蓖麻蚕丝、天蚕丝中的一种或者几种；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述丝素蛋白纤维支架的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述冷冻处理的温度为酸溶液的冰点温度。
4.根据权利要求1所述丝素蛋白纤维支架的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述冷冻处理的温度为-1～-80℃；冷冻干燥的温度为-20～-60℃。
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