邵偉力，何建新，崔世忠

（中原工學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007）

絲素 （SF）來源豐富，價格低廉，無毒，具有良好的生物相容性及一定的降解性，是近年來生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究熱點之一[1－3].目前，關(guān)于絲蛋白靜電紡的研究都是基于桑蠶絲的，國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)采用以水為溶劑并以柞蠶絲素為原料進行靜電紡絲研究的相關(guān)報道.絲素屬于高分子重鏈結(jié)構(gòu)蛋白，桑蠶絲的肽鏈中主要是以甘丙甘序列為主，柞蠶絲素的肽鏈?zhǔn)且员蛄袨橹鱗4]，但是柞蠶絲含有特殊的精氨酸－甘氨酸－天門冬氨酸（RGD）三肽序列，文獻[5]的研究顯示柞蠶絲中這種氨基酸組成和序列有助于細(xì)胞黏附，而且含有一定量的帶正電荷的氨基酸，柞蠶絲素蛋白對細(xì)胞的親和性比桑蠶絲素更強，其在組織工程支架方面的應(yīng)用具有相當(dāng)大的潛能.

靜電紡技術(shù)是迄今唯一能夠獲得連續(xù)納米纖維并可以工業(yè)化生產(chǎn)的有效方法，靜電紡絲素納米纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的生物學(xué)性能[6－7].天然骨是由膠原I和羥基磷灰石（HAP）構(gòu)成的有機／無機生物納米復(fù)合材料.基于單一材料缺乏表面特性、降解速率難以保持等缺點，本文選用生物相容性、生物降解性和細(xì)胞黏附性良好的柞蠶絲素蛋白（TSF）和HAP進行同軸靜電紡絲，制備了核殼結(jié)構(gòu)納米纖維，其結(jié)構(gòu)與骨極為相似，將成為骨組織工程支架潛在的應(yīng)用材料.

1 試驗部分

1.1 材料

柞蠶繭，河南南陽；HAP，國藥集團；截留相對分子質(zhì)量為8 000～1 4000的透析袋，上海賀寶化工有限公司；所用試劑均為分析純，國藥集團.

1.2 柞蠶絲素水溶液的制備

將柞蠶繭與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%的碳酸鈉溶液98℃處理30min，浴比為1∶30，重復(fù)脫膠3次去除絲膠.脫膠的蠶繭與濃度為9mol／L的LiSCN 55℃超聲1h，浴比為1∶35，溶解后的柞蠶絲絲素粗溶液利用透析袋透析，自來水透析2d，蒸餾水透析1 d，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%左右的柞蠶絲素水溶液，最后室溫下鼓風(fēng)濃縮得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%的溶液.

1.3 納米HAP粒子的制備

將1.55g HAP置于5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的檸檬酸水溶液中，在磁力攪拌器上密封攪拌0.5h，制得納米HAP粒子，用于靜電紡絲.圖1所示為HAP粒子場發(fā)射掃描電鏡照片.所得的HAP粒子長寬約為150nm×50nm.

圖1 HAP顆粒的SEM圖Fig.1 SEM image of HAP particles

1.4 靜電紡絲

同軸擠出裝置如圖2所示.內(nèi)針頭規(guī)格為7＃（直徑為0.70mm）、外針頭規(guī)格為13＃（直徑為1.30mm），將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%的再生柞蠶絲素水溶液置于上方的紡絲管中，HAP溶液置于下方的紡絲管中，陽極夾至注射器針頭，陰極與收集網(wǎng)相接.紡絲電壓為20kV，噴絲口到收集網(wǎng)的距離為18cm，紡絲流量為0.3mL／h，采用鋁箔收集納米纖維.

圖2 同軸擠出裝置Fig.2 The coaxial extrusion device

1.5 掃描電鏡測試

采用JSM-6360型電子掃描顯微鏡觀察核殼結(jié)構(gòu)納米纖維表面形貌.測試條件：恒溫（20±2）℃，相對濕度（65±5）%，加速電壓為15kV，測試前樣品進行鍍金處理.

1.6 透射電鏡測試

在樣品制備的過程中用超純水反復(fù)沖洗核殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜，洗去殘留的鹽.為了防止纖維在強電子束作用下發(fā)生晃動，用兩片空的銅網(wǎng)將要觀測的纖維樣品夾持固定，再用G2 20s-twin型高分辨透射電子顯微鏡觀察纖維結(jié)構(gòu)形貌.

1.7 紅外光譜

采用尼高力NEXUS 670型紅外－拉曼光譜儀，測定純TSF納米纖維以及不同質(zhì)量比的HAP／TSF靜電紡核殼結(jié)構(gòu)納米纖維的傅里葉紅外光譜，分辨率為2cm－1，每個樣品掃描100次.制備5.0 mg干燥纖維粉末和200mg KBr混合壓片以用于紅外光譜測試.

1.8 X射線衍射測試

纖維樣品剪成粉末，采用 D／max-2550PC 18 kW型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀在穩(wěn)定條件下進行測定.測試條件：Ni濾波，Cu靶 Kα射線，管電壓為40kV，管電流為40mA，掃描速度為2°／min，掃描范圍為5°～45°.

2 結(jié)果與討論

增加，但是隨著HAP與TSF質(zhì)量比的變化增加不明顯，如HAP／TSF質(zhì)量比由1∶2增加到1∶1和2∶1時，核殼結(jié)構(gòu)納米纖維直徑僅從867.39nm增加到892.44和949.67nm，因而核殼結(jié)構(gòu)納米纖維與純的TSF靜電紡納米纖維相比直徑有顯著增加，但HAP含量對核殼結(jié)構(gòu)納米纖維直徑影響不大.隨著HAP含量的變化，核殼結(jié)構(gòu)納米纖維直徑CV值保持在0.2左右，因此，HAP含量對纖維直徑CV值影響也不顯著.由圖3可知，不同質(zhì)量比HAP／TSF納米纖維均呈現(xiàn)一些粗節(jié)，主要是由于在靜電紡絲過程中，有少量的HAP團聚，但對粗節(jié)數(shù)量的影響不大，這主要是因為在所紡質(zhì)量比范圍內(nèi)皮層TSF能夠很好地包覆芯層HAP.

圖3 純TSF及不同質(zhì)量比的HAP／TSF核殼結(jié)構(gòu) 納米纖維掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

2.1 掃描電鏡

圖3和4分別為純TSF納米纖維以及不同質(zhì)量比（mHAP∶mTSF）的HAP／TSF靜電紡核殼結(jié)構(gòu)納米纖維的掃描電鏡圖及納米纖維直徑分布圖.由圖3和4可知，純的TSF靜電紡納米纖維形貌為稍扁柱狀，纖維直徑為300～500nm，直徑分布較為均勻.添加HAP制備不同質(zhì)量比的納米纖維，與純的TSF靜電紡納米纖維相比，核殼結(jié)構(gòu)納米纖維直徑顯著增加，由400nm直接增加到900nm左右，形貌呈現(xiàn)稍扁平狀.在所紡的質(zhì)量比范圍內(nèi)，作為芯層的HAP含量的增加會導(dǎo)致核殼結(jié)構(gòu)納米纖維直徑的

圖4 純TSF與不同質(zhì)量比的HAP／TSF核殼結(jié)構(gòu)納米纖維直徑分布圖Fig.4 The diameter distribution of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

圖5 不同質(zhì)量比的HAP／TSF核殼結(jié)構(gòu)納米纖維透射電鏡圖Fig.5 TEM images of HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

2.2 透射電鏡

不同質(zhì)量比的HAP／TSF靜電紡納米纖維的透射電鏡圖如圖5所示.由圖5可知，核殼結(jié)構(gòu)納米纖維呈現(xiàn)了明顯的皮芯結(jié)構(gòu)，有機的TSF顯示為皮層，無機的HAP顯示為芯層.隨著mHAP：mTSF的逐漸減小，皮層的厚度逐漸增加，芯層的厚度逐漸減小.在所紡的質(zhì)量比范圍內(nèi)，皮層TSF能夠很好地包覆芯層HAP.天然骨為有機和無機的納米復(fù)合材料，無機的主要成分為HAP，有機的主要成分為膠原蛋白，本文制備了有機／無機相核殼結(jié)構(gòu)納米纖維，與天然骨極其相似，為制備用于生物組織工程支架方面的絲素蛋白復(fù)合材料提供了參考.

2.3 紅外光譜分析

如圖6所示為純的TSF納米纖維以及不同質(zhì)量比的HAP／TSF靜電紡納米纖維的紅外光譜圖.由圖6（a）可知，純的TSF納米纖維在3 300cm－1處出現(xiàn)了羥基的吸收峰，在965cm－1處出現(xiàn)了較強的歸屬于丙丙肽鏈結(jié)構(gòu)的特征吸收峰.酰胺Ⅰ的特征峰出現(xiàn)在1 650cm－1，這是歸屬于α－螺旋結(jié)構(gòu)的特征吸收峰.酰胺Ⅱ譜帶（1 600～1 480cm－1）歸屬于—C—N伸縮和—N—H變形的協(xié)同運動，1 240 cm－1處為酰胺Ⅲ吸收區(qū)域，顯示的均是β－折疊結(jié)構(gòu)的特征吸收峰，但波峰較弱，由此可見，β－折疊結(jié)構(gòu)含量較少.

添加HAP后，兩種質(zhì)量比的HAP／TSF納米纖維在波數(shù)為1 650，1 240，1 540cm－1處依然出現(xiàn)了分別歸屬于α－螺旋、β－折疊和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的特征吸收峰，說明添加HAP對核殼結(jié)構(gòu)納米纖維構(gòu)象影響不明顯.在波數(shù)為1 093cm－1處出現(xiàn)了新的屬于HAP中PO3－4的吸收峰，這說明所制備的核殼結(jié)構(gòu)纖維中確實含有HAP.

圖6 純TSF以及不同質(zhì)量比的HAP／TSF 核殼結(jié)構(gòu)納米纖維紅外光譜圖Fig.6 IR spectroscopy curves of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

2.4 X衍射分析

如圖7所示為純的TSF納米纖維以及不同質(zhì)量比的HAP／TSF靜電紡納米纖維的X衍射圖.由圖7可知，純的TSF納米纖維薄膜在2θ＝12.06°，23.50°出現(xiàn)了兩個衍射峰.文獻[8]研究發(fā)現(xiàn)，絲素Ⅰ的衍射峰主要出現(xiàn)在 2θ＝11.50°，12.20°，22.50°，23.50°，24.02°附近，絲素Ⅱ的衍射峰主要出現(xiàn) 在 2θ＝16.40°，16.71°，20.34°，30.90°，44.12°附近.因此，在2θ＝12.06°，23.50°處為絲素Ⅰ的特征峰，說明純TSF納米纖維中絲素的構(gòu)象由α－螺旋為主和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)共同組成的.HAP／TSF核殼結(jié)構(gòu)納米纖維的兩個主要的衍射峰也出現(xiàn)在2θ＝12.06°，23.50°附近，說明添加 HAP對TSF納米纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響不大，仍然由α－螺旋為主和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)共同組成，不過隨著HAP／TSF質(zhì)量比的增加，核殼結(jié)構(gòu)納米纖維膜的兩個主要衍射峰的峰高有所降低.在2θ＝31.28°，33.64°，53.02°處分別出現(xiàn)了屬于HAP的211，300，004晶面的衍射峰，表明核殼結(jié)構(gòu)纖維中確實含有HAP，且隨著mHAP∶mTSF的增加，屬于HAP的衍射峰峰值均有所提高，表明核殼結(jié)構(gòu)納米纖維中HAP含量也增大，這是因為芯層HAP能夠被皮層TSF很好地包埋.由此可見，X衍射分析結(jié)果與紅外光譜分析結(jié)果一致.

圖7 純TSF以及不同質(zhì)量比的HAP／TSF 核殼結(jié)構(gòu)納米纖維X衍射圖Fig.7 X-diffraction curves of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

3 結(jié) 語

本文利用柞蠶絲素水溶液，通過靜電紡絲裝置，制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的HAP／TSF同軸共紡納米纖維.在所紡的質(zhì)量比范圍內(nèi)，TSF出現(xiàn)絲素Ⅰ的晶型，核殼結(jié)構(gòu)納米纖維觀察到歸屬于HAP的衍射峰.核殼結(jié)構(gòu)納米纖維呈現(xiàn)明顯的皮芯結(jié)構(gòu)，而且皮層TSF能夠很好地包覆芯層HAP.核殼結(jié)構(gòu)納米纖維與天然骨的成分非常相似，而且均屬于納米級的.本文制備的核殼結(jié)構(gòu)納米纖維為模擬動物骨骼這類無機／有機納米復(fù)合材料，以及進一步實行骨修復(fù)的動物或臨床試驗等提供基礎(chǔ).

參 考 文 獻

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