陳小菊 沈嘉麗 張佩華

1. 常州市康蒂娜醫(yī)療科技有限公司(中國(guó)) 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院(中國(guó))

疝氣是威脅人類(lèi)腹壁健康的一種常見(jiàn)疾病，中國(guó)每年因疝氣而產(chǎn)生的手術(shù)治療病例數(shù)量超100萬(wàn)例[1]。在眾多治療方案中，無(wú)張力修補(bǔ)手術(shù)能夠有效治療疝氣，同時(shí)大幅降低疝氣復(fù)發(fā)的概率。疝修補(bǔ)片作為修補(bǔ)手術(shù)的基體材料，已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)疝氣手術(shù)中，可有效控制疝氣的發(fā)生與反復(fù)發(fā)作[2]。然而，由于疝修補(bǔ)片的結(jié)構(gòu)各異，且在人體內(nèi)使用的過(guò)程中易發(fā)生“新生腹膜化”作用，造成補(bǔ)片材料與機(jī)體器官間黏連，這給疾病的治療帶來(lái)了巨大的困難[3]。

靜電紡納米纖維因其高孔隙率、大比表面積和強(qiáng)吸附能力等優(yōu)勢(shì)，在復(fù)合型功能疝修補(bǔ)片材料領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景[4]。近年來(lái)，再生絲素蛋白(regenerated silk fibroin， RSF)作為一種具有良好生物相容性和生物可降解性的天然蛋白質(zhì)材料，在生物醫(yī)用紡織品領(lǐng)域，如：疝修補(bǔ)片、血管支架、人工肌肉等方面，引起人們的廣泛關(guān)注[5-6]。RSF納米纖維膜也逐漸成為疝修補(bǔ)片防黏連功能層的熱門(mén)材料[7]。然而，目前常用的RSF納米纖維膜仍存在力學(xué)性能不足、熱力學(xué)性能不穩(wěn)定等問(wèn)題。

本文基于靜電紡絲技術(shù)，制備含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)RSF的納米纖維膜，并測(cè)量所得纖維膜試樣的表觀形貌、拉伸性能與熱力學(xué)性能，以優(yōu)化RSF的添加量。研究為高品質(zhì)疝修補(bǔ)片用RSF納米纖維膜的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料：蠶繭，京裕成實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；尿素，上海易勢(shì)化工有限公司；無(wú)水溴化鋰，上海易勢(shì)化工有限公司；甲酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

試驗(yàn)設(shè)備：掃描電子顯微鏡，TM3000型；傅里葉變換近紅外光譜儀，Antaris Ⅱ型；醫(yī)用紡織品多功能強(qiáng)力儀，YG(B)026h-500型；靜電紡絲推進(jìn)器，KDS100型，美國(guó)Scientific公司。

1.2 RSF的提取與制備

RSF的提取與制備過(guò)程如圖1所示。RSF的提取過(guò)程可分為蠶繭的物理處理、脫膠、溶解、透析和凍干5個(gè)階段。其中，蠶繭的物理處理主要是采用剪刀等工具將蠶繭剪成小碎片，以利于在下一步與尿素溶液充分結(jié)合；脫膠的主要目的是去除蠶絲表面的絲膠，但不破壞絲素本身的分子結(jié)構(gòu)；溶解是為了將絲素大分子降解為小分子；透析的目的是獲取純凈的再生絲素蛋白纖維；凍干的目的是獲取絲素蛋白成品。

圖1 RSF的提取與制備過(guò)程

1.3 RSF納米纖維膜的制備

以甲酸為溶劑，配制RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、 14%、 15%和17%的RSF溶液，并在常溫下攪拌，直至氣泡完全消除后進(jìn)行靜電紡絲。根據(jù)前期試驗(yàn)，當(dāng)紡絲電壓為15 kV、紡絲接收距離為18 cm、紡絲速度為1 mL/h時(shí)，納米纖維的成型性較好。本文選擇上述紡絲工藝參數(shù)制備RSF納米纖維膜試樣。

1.4 性能測(cè)試與表征

1.4.1 表觀形態(tài)

采用TM3000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察RSF納米纖維膜試樣的表觀形態(tài)。

1.4.2 紅外光譜分析

在KBr作用下，將RSF納米纖維膜研磨成細(xì)小的粉末，然后將其放置于傅里葉變換紅外光譜儀中，進(jìn)行紅外光譜分析。

1.4.3 拉伸性能

在RSF納米纖維膜上均勻地剪取尺寸為0.5 cm×3.0 cm的矩形試樣各5塊，采用醫(yī)用紡織品多功能強(qiáng)力儀測(cè)試矩形試樣的拉伸強(qiáng)度，設(shè)定隔距為10 mm，拉伸速度為5 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 表觀形貌

不同RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)下制得的RSF納米纖維膜的SEM圖如圖2所示。由圖2可以看出，RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，所得RSF納米纖維膜的表觀形態(tài)存在較大的差異。當(dāng)RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，纖維成絲性能較差，且出現(xiàn)明顯的串珠現(xiàn)象。原因是紡絲液濃度較低時(shí)，分子鏈之間未形成足夠的纏結(jié)，因此得到的纖維上帶有聚合物顆粒，表現(xiàn)為非連續(xù)成絲狀態(tài)的纖維。此外，因RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，溶液的黏度相對(duì)較小，這同樣影響射流的連續(xù)性。當(dāng)RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)14%時(shí)，纖維上的聚合物顆粒消失，但成絲狀態(tài)不好的情況仍然存在。當(dāng)RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，形成的纖維連續(xù)而均勻。當(dāng)RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大至17%時(shí)，溶液的黏度過(guò)大，紡絲過(guò)程較困難，甚至出現(xiàn)堵塞針頭的情況。因此可認(rèn)為，RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，制得的RSF納米纖維膜表觀形貌最佳，所得納米纖維的直徑也最均勻。

圖2 不同RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)下所得RSF納米纖維膜的SEM圖

2.2 紅外光譜分析

不同RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)下制備的RSF納米纖維膜的紅外光譜如圖3所示。由圖3可以看出，RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，所得RSF納米纖維膜的紅外光譜曲線差異不大。在波長(zhǎng)為1 627.54 cm-1和1 628.25 cm-1處，RSF納米纖維膜試樣呈現(xiàn)出絲素蛋白酰胺Ⅰ中β-折疊鏈的特征吸收峰；在波長(zhǎng)為1 628.75 cm-1和1 647.51 cm-1處，RSF納米纖維膜試樣呈現(xiàn)出酰胺Ⅰ中無(wú)規(guī)卷曲和α-螺旋的特征吸收峰。這表明，制得的RSF納米纖維膜具備較典型的再生絲素蛋白特性。當(dāng)RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，纖維基團(tuán)的極性最強(qiáng)，表明此時(shí)RSF納米纖維膜的穩(wěn)定性最好。

圖3 不同RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)下所得RSF納米纖維膜的紅外光譜圖

2.3 拉伸性能

不同RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)下制得的RSF納米纖維膜的拉伸性能曲線如圖4所示。由圖4可知，RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，所得RSF納米纖維膜的拉伸性能差異較大。RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，所得RSF納米纖維膜試樣的成型性較差，其拉伸強(qiáng)度過(guò)低，力學(xué)曲線難以顯示，故圖4未給出RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)所得納米纖維膜的拉伸性能曲線。此時(shí)，制得的RSF納米纖維膜也明顯不適于疝修補(bǔ)片功能層的應(yīng)用?？傮w而言，隨著RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，RSF納米纖維膜試樣的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，試樣的拉伸強(qiáng)度最高。原因是當(dāng)RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，不易形成均勻的納米纖維膜，因此強(qiáng)度較小；當(dāng)RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大時(shí)，紡絲液的黏度過(guò)大，易造成紡絲困難，導(dǎo)致納米纖維膜的強(qiáng)度下降。

圖4 不同RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)下所得RSF納米纖維膜的拉伸性能曲線

3 結(jié)論

本文通過(guò)堿液提取法制備出純凈的再生絲素蛋白(RSF)。然后，配制RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、14%、15%和17%的溶液，再利用靜電紡絲技術(shù)紡制不同RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的RSF納米纖維膜。對(duì)所得納米纖維膜進(jìn)行表觀形態(tài)觀察、紅外光譜分析與拉伸性能測(cè)試。結(jié)果顯示：當(dāng)RSF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，所得納米纖維膜的表觀形貌較好、特征吸收峰明顯，纖維直徑均勻，并且纖維膜的穩(wěn)定性好、拉伸強(qiáng)度高，具備應(yīng)用于疝修補(bǔ)片功能層的潛力。