CN114984313B - 一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法 - Google Patents

一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114984313B
CN114984313B CN202210446803.4A CN202210446803A CN114984313B CN 114984313 B CN114984313 B CN 114984313B CN 202210446803 A CN202210446803 A CN 202210446803A CN 114984313 B CN114984313 B CN 114984313B
Authority
CN
China
Prior art keywords
silk fibroin
piezoelectric effect
bracket
scaffold
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210446803.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114984313A (zh
Inventor
刘鑫
谢林
康然
王楠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Institute Of Traditional Chinese Medicine Jiangsu Integrated Traditional Chinese And Western Medicine Hospital
Original Assignee
Jiangsu Institute Of Traditional Chinese Medicine Jiangsu Integrated Traditional Chinese And Western Medicine Hospital
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu Institute Of Traditional Chinese Medicine Jiangsu Integrated Traditional Chinese And Western Medicine Hospital filed Critical Jiangsu Institute Of Traditional Chinese Medicine Jiangsu Integrated Traditional Chinese And Western Medicine Hospital
Priority to CN202210446803.4A priority Critical patent/CN114984313B/zh
Publication of CN114984313A publication Critical patent/CN114984313A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114984313B publication Critical patent/CN114984313B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A61L27/227—Other specific proteins or polypeptides not covered by A61L27/222, A61L27/225 or A61L27/24
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/025—Other specific inorganic materials not covered by A61L27/04 - A61L27/12
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials
    • A61L27/20—Polysaccharides
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/54—Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/58—Materials at least partially resorbable by the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/10—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices containing or releasing inorganic materials
    • A61L2300/102—Metals or metal compounds, e.g. salts such as bicarbonates, carbonates, oxides, zeolites, silicates
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
    • A61L2300/60—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a special physical form
    • A61L2300/62—Encapsulated active agents, e.g. emulsified droplets
    • A61L2300/624—Nanocapsules
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/12—Nanosized materials, e.g. nanofibres, nanoparticles, nanowires, nanotubes; Nanostructured surfaces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/06—Materials or treatment for tissue regeneration for cartilage reconstruction, e.g. meniscus

Abstract

本发明公开了一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法，属于软骨组织工程技术领域；采用纯丝素蛋白支架和氧化铁纳米颗粒为原料，将纯丝素蛋白支架浸于氧化铁纳米颗粒溶液中，之后将所得负载氧化铁纳米颗粒的丝素蛋白支架置于交变磁场中处理，即得压电效应增强的丝素蛋白支架；采用本发明的方法制备的丝素蛋白支架具有更高的力学性能，同时具有延迟降解性，且具有显著增效的压电效应，可以有效的促进关节软骨的修复，在软骨组织修复领域具有巨大的应用潜能。

Description

一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法
技术领域
本发明属于软骨组织工程技术领域，具体涉及一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法。
背景技术
骨软骨缺损是导致疼痛、残疾以及骨关节炎的主要原因之一，在全世界范围内影响超过3亿人的生活。由于软骨损伤部位缺乏血管、神经的支配，因此其再生和自我修复能力极其有限，一旦损伤，难以自我修复。目前，临床上多采用自体软骨和同种异体软骨进行软骨组织重建。尽管有许多优点，但自体软骨和同种异体软骨也有一些缺点，包括供区发病率(如疼痛和疤痕)、感染、免疫排斥反应和移植组织供应有限。作为替代，合成软骨支架因可以有效克服上述缺陷而受到广泛的关注，特别是构建软骨支架的天然生物材料(例如胶原、纤维蛋白、丝素蛋白、藻酸盐等)因其良好的生物相容性、降解性、促细胞粘附与增长、取材方便等优势而被广泛研究。但是，受限于软骨特殊的分层结构以及软骨组织反复关节力摩擦，对材料提出了更高的要求。虽然，众多研究也在致力于发展高性能的软骨组织工程支架材料以达到接近原生组织的修复效果，但效果并不理想，例如产生透明软骨效率低、纤维软骨再生、无法在正常软骨组织中承重和反复关节力下易分解等。因此，构建高性能的软骨组织工程支架是修复软骨缺损的关键所在。
丝素蛋白材料，因其拥有优于其它天然聚合物的抗拉强度、生物相容性以及模拟细胞外基质的性能等，在骨组织工程研究中深受广大研究人员的青睐。Kim等利用三元溶液处理丝素蛋白制备了丝素蛋白膜，并在大鼠的颅骨缺损模型中与商用胶原膜比较，发现其治疗效果相当，但是低成本和组织感染风险是胶原膜的可行替代品(Kim et al.Journalof Advanced Prosthodontics 2014,6(6):539-546)。Lai等通过静电纺丝技术制备了纳米纤维膜支架，并研究人骨髓间充质干细胞的生长和成骨分化，发现其可以有效的促进干细胞成骨分化和增殖(Lai et al.Carbohydrate Polymers 2014,111:288-297)。但是，这类由纯丝素蛋白构成的骨组织支架通常需要高浓度的中性盐溶解先被制备成再生丝素蛋白溶液，然后再制成各种支架应用于骨组织修复。高浓度的中性盐会破坏丝素蛋白分子原始结构，导致力学性能变差和降解过快，而无法满足骨组织的承重要求以及关节力下的匹配降解性。鉴于此，国内外研究人员通过物理、化学或物理-化学双交联的方法，引入其它物质如生物陶瓷、明胶、纳米粒子等，获得具有良好力学性能和延迟降解的丝素蛋白材料。Mobika等通过原位共沉淀法将羟基磷灰石无机相添加到以丝素蛋白为有机相的溶液中，制备出可以模拟骨细胞外基质的纳米生物复合材料，并应用于骨组织的修复(Mobika etal.Journal of Molecular Structure 2020,1206:127739)。Li等利用辣根过氧化物酶介导丝素蛋白和酪胺改性明胶交联，制备了水凝胶多孔支架，通过调控支架力学性能、降解性能和孔隙率结构等参数并结合干细胞聚集体种植实现促进Ⅱ型胶原蛋白高表达，向透明软骨转化，提升了关节软骨再生修复效果(Li et al.Bioactive Materials 2021,6(10):3396-3410)。但因引入成分的不同会影响材料的生物相容性，且缺乏高效的细胞分化和增殖功能，导致其在组织工程再生方面的应用存在缺陷，尤其是在软骨组织修复方面，无法为软骨再生提供稳定生长环境和营养支持，与自体软骨移植物修复相比，在修复效果和功能上仍存在着较大的差异。因此，有必要寻求一种有效的方法来调控软骨微环境以促进软骨修复。研究发现，软骨具有压电效应，会对电刺激做出响应来调控软骨修复。基于上述灵感，研究人员考虑基于高性能压电支架材料作为修复软骨的最佳选择。
压电材料是指某些缺乏对称中心的材料在受到外力时发生形变并在表面产生电荷的一类材料。近年来，具有力-电转换功能的压电材料引起了国内外学者的关注，尤其是具有良好生物相容性的天然压电材料，能够在保持组织友好性下响应力学信号转换为电信号，有益于对电刺激敏感的组织进行干预。然而，丝素蛋白本身呈现晶体二形性(包括silkII和silk I)，其中silk II晶体具有单斜晶胞，而silk I晶体为正交晶胞，两个晶体单元缺乏对称中心表明丝素蛋白具有压电效应。此前也有研究表明，负电荷相比正电荷对软骨缺损具有更加明显的修复作用，而丝素蛋白表面主要呈现负电荷效应。因此，丝素蛋白不仅可以作为软骨缺损的基本基材，还可以在软骨关节力的作用下产生力-电转换，发挥刺激软骨进一步修复作用。但是，丝素蛋白的低功率压电模式对软骨刺激有限，限制了其广泛使用。有研究表明，丝素蛋白的压电效应与其本身的β-片层的结晶度关系不大，更多的影响来自于晶体取向和施加的压力强度。对于巨大的软骨缺损患者，其行动的关节力也会减弱，相应的压电效应减弱，进一步限制了丝素蛋白的应用。此外，基于上述介绍的纯丝素蛋白在中性盐作用下力学变差和关节力作用下降解过快的限制。因此，亟需探索一个有效的方法去提升丝素蛋白的压电效应，以高效的刺激软骨(主要表现在细胞的分化和增殖以及有利微环境的调控)，并满足软骨承重要求以及关节力下的匹配降解性，对于促进软骨缺损高效修复以接近原生软骨至关重要。
磁性医用纳米材料是一类由铁、锰、钆、钴、镍等金属元素的合金或氧化体纳米材料发展而来的可生物医用材料，其中铁基磁性纳米材料因具有良好的生物相容性，被广泛应用于临床及临床前实验研究，该类材料具有小粒径、大比表面积和高耦合能力的独特特性和磁响应性。基于这些特性，磁性纳米颗粒被广泛应用于各个方面。例如：基于弥散强化原理提高力学性能；基于材料表面修饰物与复合支架氢键结合延缓降解作用；促成骨分化效应；调控巨噬细胞表型向M1型极化应用在肿瘤相关的免疫治疗以及基于磁热效应调控局部温度发挥作用等。以上研究表明铁基磁性纳米材料具有提高基体材料物化性能、改善生物体系微环境等效应。更重要的是，由于铁基纳米材料具有的磁响应性可以使它聚集并定位在恒定的磁场中吸收电磁波，而目前将铁基纳米材料应用于提高丝素蛋白的压电效应却鲜有相关研究报道。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法。本发明针对现有的丝素蛋白支架在修复关节软骨缺损中无法有效承重、反复关节力下易分解以及低功率压电模式对软骨刺激有限导致修复效果不佳而开发出一种可有效提高丝素蛋白支架压电效应的方法，以促进缺损的关节软骨的原位再生和功能恢复。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法，采用纯丝素蛋白支架和氧化铁纳米颗粒为原料，通过化学成键和交变磁场作用制备得到压电效应增强的丝素蛋白支架，具体包括以下步骤：
将纯丝素蛋白支架浸于氧化铁纳米颗粒溶液中，之后将所得负载氧化铁纳米颗粒的丝素蛋白支架置于交变磁场中处理，即得压电效应增强的丝素蛋白支架。
进一步地，所述氧化铁纳米颗粒溶液具体为γ-Fe2O3@PSC(聚葡萄糖山梨醇羧甲基醚包裹的氧化铁纳米颗粒)、EDC(1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺)、NHS(N-羟基硫代琥珀酰亚胺)和水按照质量体积比为(1～3)mg∶(2～10)mg∶(1～3)mg∶(5～100)mL在常温下搅拌30～240min得到的混合溶液。
γ-Fe2O3@PSC与EDC、NHS混合，常温下搅拌，可活化氧化铁纳米颗粒表面的羧基。
进一步地，所述纯丝素蛋白支架在所述氧化铁纳米颗粒溶液中的浸泡时间为12～24h。
纯丝素蛋白支架浸没于羧基活化后的氧化铁纳米颗粒溶液中，酰胺键自组装成稳定结合的负载氧化铁纳米颗粒的丝素蛋白支架。
进一步地，所述交变磁场的发生装置是中频感应加热设备，所述交变磁场的频率为1～2MHz，电流为10～20mA，所述处理时间为30～180min。
将负载氧化铁纳米颗粒的丝素蛋白支架置于交变磁场的作用下，支架中的氧化铁纳米颗粒会响应磁场吸收电磁波，可以改变材料内部偶极子极化和排列方式以及表面电荷，导致压电效应的增强。
进一步地，所述γ-Fe2O3@PSC的平均粒径为19～31nm，平均分子量为600-750Kda。
进一步地，所述纯丝素蛋白支架的制备方法为：将氯化钙溶于水，之后加入无水乙醇，得到三元溶液；对天然蚕丝进行脱丝胶处理得到丝素蛋白；将所述丝素蛋白置于所述三元溶液中，加热溶解，得到丝素蛋白溶液，透析并浓缩，离心、过滤，然后注入模具，经冷冻干燥后，乙醇交联，即得所述纯丝素蛋白支架。
进一步地，所述脱丝胶处理的具体方法为：采用浓度为0.5±0.01wt％的碳酸钠溶液在100℃下对天然蚕丝进行脱丝胶处理3～5次。
进一步地，所述三元溶液中，水、无水乙醇和氯化钙的摩尔比为8∶2∶1，所述加热温度为72～75℃，所述丝素蛋白与所述三元溶液的质量体积比为1g∶(4～6)mL；所述溶解时间为当丝素蛋白全部溶解后继续搅拌20～30min。
进一步地，所述透析采用透析袋，截留分子量12000-14000Da，透析时间为2～4天，透析液为超纯水，每天更换透析液至少3次；所述浓缩至原质量的10-20％；所述的离心速度是1200～1500rpm/min；所述的过滤采用50～100μm的尼龙过滤网。
进一步地，所述模具为各种规格的细胞培养板或自制模具；所述冷冻干燥采用是的全自动台式冷冻干燥机，冷冻干燥时间为36～48h，冻干温度采用梯度升温的冻干方式，每个温度梯度相差5℃，每个梯度维持时间50～200min；所述乙醇交联采用是的无水乙醇，交联时间为12～24h。
本发明同时提供了一种根据上述所述的方法得到的压电效应增强的丝素蛋白支架。
进一步地，所述的压电效应需要施加力学刺激，将力学信号转换为电信号；所述的力学刺激强度为40～160kPa。
本发明还提供了上述压电效应增强的丝素蛋白支架在制备组织修复材料中的应用，尤其是在制备关节软骨缺损修复材料中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在丝素蛋白压电效应的基础上，通过共价结合将聚葡萄糖山梨醇羧甲基醚包裹的氧化铁纳米颗粒(γ-Fe2O3@PSC)固定在丝素蛋白支架(SFC)上，然后通过交变磁场作用，最终构建具有良好力学性能、延缓降解性和压电效应增效的丝素蛋白支架(γ-Fe2O3@PSC-SFC)，以进一步改善软骨缺损修复中细胞分化和增殖率低、产生透明软骨效率低等难题，将在临床骨软骨组织修复中具有重要的应用价值。
本发明制备的支架与纯丝素蛋白支架相比，力学性能显著提高，更有利于关节软骨的承重要求。
本发明制备的支架与纯丝素蛋白支架相比，降解速率显著延缓，有利于克服支架修复过程中关节力下易降解的缺点。
本发明制备的支架可以响应交变磁场，吸收电磁波改变材料内部偶极子极化和排列方式以及表面电荷，导致压电效应的增强。
本发明制备的支架所耦合的氧化铁纳米颗粒具有纳米材料的独特特性和磁响应性，可赋予支架药物载体、磁共振成像、磁热疗等功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例2中压电效应增强的丝素蛋白支架的制备流程示意图；
图2为γ-Fe2O3@PSC、实施例1制备得到的纯丝素蛋白支架(SFC)及实施例2制备的压电效应增强的丝素蛋白支架(γ-Fe2O3@PSC-SFC)的红外光谱检测图；
图3为实施例1制备得到的纯丝素蛋白支架(SFC)及实施例2制备的压电效应增强的丝素蛋白支架(γ-Fe2O3@PSC-SFC)的力学性能检测图，其中A为拉伸性能检测结果图，B为抗压性能检测结果图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下实施例中所采用的γ-Fe2O3@PSC购自江苏省生物材料与器件重点实验室，平均粒径为19～31nm，平均分子量为600～750Kda，以下不再重复描述。
实施例1
丝素蛋白支架的制备
步骤1：脱丝胶
将10.018gNa2CO3加入蒸馏水中，得到2000mL溶液，称取50g天然桑蚕丝置于上述溶液中，100℃下蒸煮0.5h，取出用超纯水洗涤4次，相同步骤重复三遍。最后，将煮好的蚕丝纤维用蒸馏水反复洗涤，直至洗涤溶液的pH值为中性，拧干，放置于超净工作台中晾干，待用。
步骤2：丝素蛋白溶液的制备
称取步骤1中获得的干燥蚕丝纤维20.45g，并用剪刀裁剪成10块。准备一个250mL的烧杯，先加入37g的无水氯化钙，加入超纯水48mL使其充分溶解，然后再加入40mL的无水乙醇混合均匀，在烧杯口覆盖一层保鲜膜以防止乙醇过度挥发。在溶液中放入搅拌子转移至磁力搅拌器中，加热使温度维持在72℃，在搅拌条件下将裁剪得到的10块蚕丝纤维分批次加入，使其溶解，加完溶解后继续搅拌20min，然后取出室温下放凉，最后转移至透析袋(截留分子量：12000-14000Da)透析3天，每天更换透析液4次。最后，将透析液放入洁净的烧杯中，并转移至超净工作台中浓缩至原质量的15％，得到丝素蛋白溶液，放入4℃冰箱保存，待用。
步骤3：丝素蛋白支架的制备
将1.5mL的步骤2制备的丝素蛋白溶液注入24孔培养板中，然后将其放置于-20℃冰箱预冷冻过夜，然后将冻干机打开，设置预冷冻-40℃，维持时间200min，预冷冻与冷冻干燥过度温度-40℃，维持时间100min，梯度升温干燥阶段，5℃一个梯度，每个梯度维持时间150min，梯度升温至20℃；在20℃下进行二次冻干，维持时间1250min，运行结束后，取出样品，放入无水乙醇交联24h，即可获得纯丝素蛋白支架(SFC)。
实施例2
压电效应增强的丝素蛋白支架的制备
称取121.4mgγ-Fe2O3@PSC、267.4mg EDC、118mgNHS加入20mL超纯水中，于室温下混合反应30min，然后称取实施例1获得的纯丝素蛋白支架300mg浸没于该混合液中12h，通过共价自组装形成稳定的酰胺键偶联结构，使氧化铁纳米颗粒稳定的固定在丝素蛋白支架上，然后将获得的负载氧化铁纳米颗粒的丝素蛋白支架置于中频感应加热设备的线圈中150min，工作频率1.5MHz，电流15mA，即可获得压电效应增强的丝素蛋白支架(γ-Fe2O3@PSC-SFC)。
图1为本实施例中压电效应增强的丝素蛋白支架的制备流程示意图。
实施例2制备得到的压电效应增强的丝素蛋白支架的红外光谱检测：
将γ-Fe2O3@PSC、实施例1制备得到的纯丝素蛋白支架(SFC)及实施例2制备的压电效应增强的丝素蛋白支架(γ-Fe2O3@PSC-SFC)放入玛瑙研钵中研磨成粉末状，然后将少量样品粉末与溴化钾混合在玛瑙研磨中再研磨，直至混合均匀并形成较均细的状态，随后用FW-5红外压片机将混合粉末压成透明的圆锭片。然后将圆锭片固定在夹板上置于傅利叶变换红外光谱仪测定样品在400cm-1到4000cm-1范围内的红外谱图。结果如图2所示，γ-Fe2O3@PSC-SFC支架在3293cm-1处的酰胺键(-CONH-)的吸收峰相比于纯丝素蛋白支架(SFC)显著增强，这说明γ-Fe2O3@PSC与SFC间产生酰胺官能团，形成了γ-Fe2O3@PSC-SFC偶联支架。
实施例2制备得到的压电效应增强的丝素蛋白支架的力学性能检测：
将实施例1制备得到的纯丝素蛋白支架(SFC)及实施例2制备的压电效应增强的丝素蛋白支架分别制备成长度约4cm，直径1.2cm的圆柱形，然后将支架置于PBS中浸泡10min，滤纸吸干水分，为了防止夹头因应力集中而破坏支架的结构，在夹持时，将支架两端分别包裹有硅胶垫，然后使用电子万能试验机的夹持板夹住，进行拉伸实验。初始实验力为0.5N，力学探头移动速度为2mm/min。拉伸过程中，保证支架不发生倾斜和扭转。每种支架测试5个平行样。结果如图3A所示，当应变约为25.9％时，SFC所承受的应力约为3.51MPa；当应变约为41.2％时，γ-Fe2O3@PSC-SFC支架所承受的应力约6.45MPa。结果表明，γ-Fe2O3@PSC-SFC支架具有更强的拉伸性能。同时，对支架的抗压性能进行了测试，下压速度1mm/min。如图3B所示，当应力约为0.06MPa时，SFC支架形变约为17.5％；当应力约为0.07MPa时，γ-Fe2O3@PSC-SFC支架形变约为7.78％。结果表明，γ-Fe2O3@PSC-SFC支架具有更好的抗压性能。综上所述，氧化铁纳米颗粒的共价偶联可以有效的改善SFC的力学性能。
实施例2制备得到的压电效应增强的丝素蛋白支架的压电效应的检测：
将实施例2制备的压电效应增强的丝素蛋白支架放入玛瑙研钵中研磨成粉末状，随后称取样品1g用于压电效应初步检测。第一步极化样品：将待测样品放置在电晕极化装置中，设置好电压和温度以及时间，本样品具体条件为电场强度8kV，温度80℃，时间15min，开始极化；第二步老化样品：将极化后的样品需进行老化处理24h；第三步D33测试：将老化后样品放D33测试仪上，调零后，开始测试，读数。结果表明，在相同的测试条件下，纯丝素蛋白支架(SFC)的压电常数是0PC/N，而γ-Fe2O3@PSC-SFC支架的压电常数是0.1PC/N，高于纯SFC，表明γ-Fe2O3@PSC添加发挥了压电效应增效的效果。
实施例3
称取121.4mgγ-Fe2O3@PSC、267.4mg EDC、118mgNHS加入20mL超纯水中，于室温下混合反应30min，然后称取实施例1获得的纯丝素蛋白支架300mg浸没于该混合液中12h，通过共价自组装形成稳定的酰胺键偶联结构，使氧化铁纳米颗粒稳定的固定在丝素蛋白支架上，得到负载有氧化铁纳米颗粒的丝素蛋白支架。
按照上述相同方法对本实施例制备得到的负载有氧化铁纳米颗粒的丝素蛋白支架进行力学性能和压电效应检测，结果发现，其力学性能检测结果与实施例2制备得到的γ-Fe2O3@PSC-SFC相当，其压电常数为0PC/N。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法，其特征在于，采用纯丝素蛋白支架和氧化铁纳米颗粒为原料，通过化学成键和交变磁场作用制备得到压电效应增强的丝素蛋白支架，具体包括以下步骤：
将纯丝素蛋白支架浸于氧化铁纳米颗粒溶液中，之后将所得负载氧化铁纳米颗粒的丝素蛋白支架置于交变磁场中处理，即得压电效应增强的丝素蛋白支架；
所述化学成键为酰胺键自组装成稳定结合的负载氧化铁纳米颗粒的丝素蛋白支架；
所述氧化铁纳米颗粒溶液具体为γ-Fe2O3@PSC、EDC、NHS和水按照质量体积比为(1～3)mg∶(2～10)mg∶(1～3)mg∶(5～100)mL混合得到的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纯丝素蛋白支架在所述氧化铁纳米颗粒溶液中的浸泡时间为12～24h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交变磁场的频率为1～2MHz，电流为10～20mA，所述处理时间为30～180min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纯丝素蛋白支架的制备方法为：将氯化钙溶于水，之后加入乙醇，得到三元溶液；对天然蚕丝进行脱丝胶处理得到丝素蛋白；将所述丝素蛋白置于所述三元溶液中，加热溶解，得到丝素蛋白溶液，透析并浓缩，之后冷冻干燥并加入乙醇交联，即得所述纯丝素蛋白支架。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述三元溶液中，水、乙醇和氯化钙的摩尔比为1∶2∶8，所述加热温度为72～75℃，所述丝素蛋白与所述三元溶液的质量体积比为1g∶(4～6)mL。
6.一种根据权利要求1～5任一项所述的方法得到的压电效应增强的丝素蛋白支架。
7.权利要求6所述的压电效应增强的丝素蛋白支架在制备组织修复材料中的应用。
CN202210446803.4A 2022-04-26 2022-04-26 一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法 Active CN114984313B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210446803.4A CN114984313B (zh) 2022-04-26 2022-04-26 一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210446803.4A CN114984313B (zh) 2022-04-26 2022-04-26 一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114984313A CN114984313A (zh) 2022-09-02
CN114984313B true CN114984313B (zh) 2023-06-20

Family

ID=83025280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210446803.4A Active CN114984313B (zh) 2022-04-26 2022-04-26 一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114984313B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4698318A (en) * 1984-01-24 1987-10-06 Veb Jenaer Glaswerk Phosphate glass ceramic for biological and medical applications
CN105431179A (zh) * 2014-08-15 2016-03-23 苏州堪赛尔生物技术有限公司 一种用于细胞三维培养的基质支架及其构建方法和应用
KR20160136758A (ko) * 2015-05-21 2016-11-30 연세대학교 산학협력단 코골이 및 수면 무호흡 감지용 패드
WO2018028224A1 (zh) * 2016-08-08 2018-02-15 南通大学 具有不同降解速度的丝素蛋白及应用
CN109651811A (zh) * 2018-11-26 2019-04-19 宋文星 磁性sf/pei纳米颗粒及其用途
CN112980012A (zh) * 2021-02-22 2021-06-18 苏州大学 基于磁性纳米纤维的取向材料及其制备方法和应用

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB0807868D0 (en) * 2008-04-30 2008-06-04 Knight David P Cartilage repair material and a method for the preparation thereof
CN103272267A (zh) * 2013-06-07 2013-09-04 浙江大学 一种丝素蛋白与纳米Fe3O4复合材料的制备方法
CN111110912B (zh) * 2020-02-27 2021-12-07 东南大学 具有细胞响应迁移效应的功能性丝素蛋白支架及制备方法
US20210379249A1 (en) * 2020-06-08 2021-12-09 University Of Connecticut Biodegradable piezoelectric composite materials

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4698318A (en) * 1984-01-24 1987-10-06 Veb Jenaer Glaswerk Phosphate glass ceramic for biological and medical applications
CN105431179A (zh) * 2014-08-15 2016-03-23 苏州堪赛尔生物技术有限公司 一种用于细胞三维培养的基质支架及其构建方法和应用
KR20160136758A (ko) * 2015-05-21 2016-11-30 연세대학교 산학협력단 코골이 및 수면 무호흡 감지용 패드
WO2018028224A1 (zh) * 2016-08-08 2018-02-15 南通大学 具有不同降解速度的丝素蛋白及应用
CN109651811A (zh) * 2018-11-26 2019-04-19 宋文星 磁性sf/pei纳米颗粒及其用途
CN112980012A (zh) * 2021-02-22 2021-06-18 苏州大学 基于磁性纳米纤维的取向材料及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Silk particles, microfibres and nanofibres A comparative study of their functions in 3D printing hydrogel scaffolds;jun zhang et al;《materials science and engineering C》;全文 *
丝素蛋白支架材料复合骨髓间充质干细胞构建组织工程化软骨;苗宗宁;潘宇红;祝建中;钱寒光;赵基栋;;中国组织工程研究与临床康复(27);全文 *
压电陶瓷驱动器迟滞非线性 建模及逆补偿控制;刘鑫;《光电工程》;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114984313A (zh) 2022-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gu et al. Preparation and characterization of methacrylated gelatin/bacterial cellulose composite hydrogels for cartilage tissue engineering
Su et al. Enhancing mechanical properties of silk fibroin hydrogel through restricting the growth of β-sheet domains
Yan et al. Genipin‐cross‐linked collagen/chitosan biomimetic scaffolds for articular cartilage tissue engineering applications
Kawaguchi et al. Preparation of carbon nanotube-alginate nanocomposite gel for tissue engineering
TW298565B (zh)
Lü et al. An injectable and self-healing hydrogel with covalent cross-linking in vivo for cranial bone repair
Balaji et al. Characterization of keratin–collagen 3D scaffold for biomedical applications
Chung et al. Silk fibroin/chitosan–hyaluronic acid versus silk fibroin scaffolds for tissue engineering: promoting cell proliferations in vitro
Zhang et al. Dehydrothermally crosslinked collagen/hydroxyapatite composite for enhanced in vivo bone repair
EP2184078B1 (en) Bio-artificial materials with tuneable properties
US11511018B2 (en) Conductive biomimetic skin scaffold material with self-repairing function and a method of preparing the same
Sharma et al. Efficacy of supermacroporous poly (ethylene glycol)–gelatin cryogel matrix for soft tissue engineering applications
CN108404209B (zh) 一种胶原-丝素共组装海绵材料、共组装人工皮肤及其制备方法
CN110041536B (zh) 功能性丝胶蛋白水凝胶及其制备方法和应用
WO2008085490A2 (en) Methods of making high-strength ndga polymerized collagen fibers and related collagen-prep methods, medical devices and constructs
WO2014206043A1 (zh) 一种环糊精多醛交联剂的应用方法
Liu et al. Biofabrication and characterization of collagens with different hierarchical architectures
Wongputtaraksa et al. Surface modification of Thai silk fibroin scaffolds with gelatin and chitooligosaccharide for enhanced osteogenic differentiation of bone marrow‐derived mesenchymal stem cells
Cao et al. Oxidized bacterial cellulose reinforced nanocomposite scaffolds for bone repair
Ross et al. Novel 3D porous semi-IPN hydrogel scaffolds of silk sericin and poly (N-hydroxyethyl acrylamide) for dermal reconstruction
Sah et al. Preparation, characterization and in vitro study of biocompatible fibroin hydrogel
Zhang et al. Systematic modulation of gelation dynamics of snakehead (Channa argus) skin collagen by environmental parameters
CN113150561A (zh) 一种用于3d生物打印的胶原基生物墨水及其制备方法与应用
CN114984313B (zh) 一种提高丝素蛋白支架压电效应的方法
Sui et al. 3D printing of ‘green’thermo-sensitive chitosan-hydroxyapatite bone scaffold based on lyophilized platelet-rich fibrin

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant