丝蛋白单/混纺纳米纤维膜的制备及其诱导无机物的沉积

论文摘要

丝蛋白（Silk Fibroin,SF）是被研究最多的天然结构性高分子之一,由于其良好的生物相容性和降解性,在生物材料（如医药缝合线、组织工程支架材料等）方向有较为广泛的应用前景。而静电纺丝作为制备纳米到微米级纤维的一种简单有效的方法,可制备具有高比表面积及高的孔隙率的电纺膜,此种膜可作为高性能过滤材料、药物载体等加以利用。本论文为避免以往丝蛋白电纺时有机溶剂的使用以及获得具有一定力学性能的丝蛋白电纺膜,我们采用本课题组发明的方法,制备了较高分子量且适合电纺的丝蛋白水溶液,通过参数的调节及优化（如纺丝液浓度、纺丝液电导率、电场强度、接收距离、注射速度等）,成功地实现了丝蛋白水溶液的静电纺丝。所制备的丝蛋白电纺膜不仅具有形貌及尺寸的可操控性,而且具备满意的力学性能（拉伸强度及断裂伸长率分别为11.1±0.7 MPa和10.2±1.6%）,为后续的应用如生物矿化提供了良好的基础。为了进一步拓展丝蛋白的应用范围,在成功地对单一丝蛋白水溶液电纺的基础上,论文第二部分成功地制备了以丝蛋白为主体的复合电纺纤维,具体讲,分别将丝蛋白与聚乙烯醇（PVA）、明胶（Gelatin）和羟基磷灰石（HAP）等进行共纺,制备了具有不同结构的纳米纤维。聚乙烯醇易溶于水,而醇处理后的丝蛋白不溶于水,对聚乙烯醇/丝蛋白进行同轴共纺,将制备的PVA（芯部）/SF（皮层）复合纤维进行醇处理后再水洗,即可除去水溶性的PVA（芯部）,而留下不溶于水的SF（皮层）。明胶具有良好的生物相容性和生物降解性,但其水溶液在室温下不易流动。通常电纺明胶时的溶剂为甲酸,但在制备明胶/丝蛋白复合纤维时,若将明胶甲酸溶液和丝蛋白水溶液混合电纺,甲酸可能会导致丝蛋白降解。为此,我们将明胶甲酸溶液和丝蛋白水溶液分别装于不同的注射器中进行同轴共纺,尽量减少电纺时两者的接触时间,成功制备了具有“皮-芯”结构的明胶/丝蛋白复合纤维膜,所制备的复合膜在皮肤、软骨的组织工程支架材料中具有良好的应用前景。动物体内以羟基磷灰石为主要化学成份的纳米级针状晶体均匀地分布在胶原蛋白基质中,与纤维原细胞一起构成了骨骼及其组织。与胶原蛋白相类似,丝蛋白基质具有提高纤维原细胞粘附和生长的作用,并且在一定程度上能够诱导无机矿物的沉积,因此,结合羟基磷灰石和丝蛋白的优点,制备的羟基磷灰石/丝蛋白复合纤维,有可能在骨修复领域中得到进一步的应用。论文第三部分主要研究了以丝蛋白电纺膜为模板,诱导无机物在其上的沉积和矿化。生物矿化即在生物体内形成无机矿物质的过程。在此过程中,通过特定的有机模板的调控,无机物在有机/无机界面处成核并缓慢生长,从而控制有机/无机复合材料生长的形状和最终性能。由于丝蛋白含有羧基,它可以和钙离子发生强烈的螯合作用,因此丝蛋白能够在一定程度上影响无机物的矿化。我们以力学性能良好的丝蛋白电纺膜为模板,首先对其诱导羟基磷灰石的矿化进行了研究,并进一步经过重复电纺和矿化后,成功地制备了丝蛋白/羟基磷灰石多层复合物,这与贝壳珍珠层中的多层板状结构有一定的相似之处,对探索自然界的矿化过程有相应的意义。而且,在矿化过程中,可以通过调节丝蛋白和羟基磷灰石的比例,使丝蛋白的存在能够改善羟基磷灰石的脆性,提高其韧性,这在骨骼修复领域具有一定的实际意义。其次,本文还考查了丝蛋白电纺膜中羟基磷灰石的含量对有机基质诱导矿化的影响,分别以SF电纺膜、HAP/SF（1/20,v/v）电纺膜及HAP（芯部）/SF（皮层）电纺膜为有机基质,对其诱导矿化的能力进行了探索。结果表明“皮-芯”结构的HAP/SF电纺膜更利于矿化的进行。最后,以丝蛋白电纺膜为模板,对其诱导碳酸钙的矿化进行了初步探索。此过程我们采用了两种矿化体系:其一是将醇处理后的丝蛋白电纺膜置于SF/NaHCO3/CaCl2溶液中矿化,实验显示溶液的pH值对丝蛋白电纺膜上沉积的无机物的晶型有一定的影响;另一种则采用“CO2扩散法”制备有机/无机复合物,CaCl2溶液的pH值及溶液中的添加物都会对沉积的无机物产生影响。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 1.1 丝蛋白的研究现状
• 1.1.1 蚕丝化学结构及分子量
• 1.1.2 丝蛋白的构象及聚集态结构
• 1.1.3 蚕的纺丝机理
• 1.2 纳米材料及纳米纤维
• 1.3 静电纺丝
• 1.3.1 传统静电纺丝
• 1.3.2 同轴静电纺丝
• 1.3.3 丝蛋白静电纺丝研究进展
• 1.3.4 电纺纳米纤维的应用
• 1.4 生物矿化
• 1.4.1 天然生物矿物的种类
• 1.4.1.1 磷酸钙
• 1.4.1.2 碳酸钙
• 1.4.1.3 硅石类
• 1.4.2 丝蛋白在生物矿化中研究进展
• 1.4.2.1 丝蛋白/羟基磷灰石复合物
• 1.4.2.2 丝蛋白/碳酸钙复合物
• 1.5 本课题研究目的和研究内容
• 参考文献
• 第二章 丝蛋白纳米纤维的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 材料与试剂
• 2.2.2 丝蛋白水溶液制备
• 2.2.3 静电纺丝及电纺膜后处理
• 2.2.4 测试和表征
• 2.2.4.1 纺丝液表面张力测试
• 2.2.4.2 纺丝液粘度测试
• 2.2.4.3 纺丝液电导率测试
• 2.2.4.4 扫描电子显微镜测试
• 2.2.4.5 拉曼光谱测试
• 2.2.4.6 X-射线衍射光谱测试
• 2.2.4.7 力学性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 纺丝液性能
• 2.3.1.1 纺丝液表面张力
• 2.3.1.2 纺丝液粘度
• 2.3.1.3 纺丝液电导率
• 2.3.2 影响纤维形貌及直径的参数
• 2.3.2.1 纺丝液浓度的影响
• 2.3.2.2 纺丝液电导率值的影响
• 2.3.2.3 电场强度的影响
• 2.3.2.4 注射速度的影响
• 2.3.2.5 接收距离的影响
• 2.3.3 电纺丝蛋白纤维的二次结构
• 2.3.4 丝蛋白电纺膜力学性能
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 与丝蛋白有关的复合纳米纤维的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 材料与试剂
• 3.2.2 纺丝液制备
• 3.2.2.1 丝蛋白水溶液制备
• 3.2.2.2 聚乙烯醇水溶液制备
• 3.2.2.3 明胶溶液制备
• 3.2.2.4 纳米羟基磷灰石悬浊液制备
• 3.2.3 静电纺丝
• 3.2.4 测试和表征
• 3.2.4.1 扫描电子显微镜测试
• 3.2.4.2 透射电子显微镜测试
• 3.2.4.3 红外光谱测试
• 3.2.4.4 拉曼光谱测试
• 3.2.4.5 X-射线衍射光谱测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PVA/SF同轴电纺及其纤维（膜）的表征
• 3.3.2 Gelatin/SF同轴电纺及其纤维（膜）的表征
• 3.3.3 HAP/SF复合纤维的制备及其表征
• 3.3.3.1 HAP/SF共混溶液的静电纺丝及其纤维（膜）的表征
• 3.3.3.2 HAP/SF同轴电纺及其纤维（膜）的表征
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 丝蛋白基质为模板的无机物矿化
• 第一部分 以丝蛋白电纺膜为模板诱导羟基磷灰石矿化
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 材料与试剂
• 4.2.2 静电纺丝
• 4.2.3 矿化体系
• 4.2.4 多层复合物的制备
• 4.2.5 测试和表征
• 4.2.5.1 扫描电子显微镜测试
• 4.2.5.2 红外光谱测试
• 4.2.5.3 拉曼光谱测试
• 4.2.5.4 X-射线衍射光谱测试
• 4.2.5.5 TGA测试
• 4.2.5.6 力学性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 2和Na₂HPO₄溶液矿化'>4.3.1 丝蛋白电纺膜于CaCl₂和Na₂HPO₄溶液矿化
• 2与Na₂HPO₄溶液中多层复合物的制备及其表征'>4.3.2 丝蛋白电纺膜于CaCl₂与Na₂HPO₄溶液中多层复合物的制备及其表征
• 4.3.3 丝蛋白电纺膜于羟基磷灰石悬浊液中矿化
• 4.3.4 丝蛋白电纺膜于羟基磷灰石悬浊液中多层复合物的制备及其表征
• 第二部分 以羟基磷灰石/丝蛋白复合电纺膜为模板诱导羟基磷灰石矿化
• 4.4 引言
• 4.5 实验部分
• 4.5.1 材料与试剂
• 4.5.2 矿化体系
• 4.5.3 测试和表征
• 4.5.3.1 扫描电子显微镜测试
• 4.5.3.2 红外光谱测试
• 4.5.3.3 拉曼光谱测试
• 4.5.3.4 X-射线衍射光谱测试
• 4.6 结果与讨论
• 第三部分 以丝蛋白电纺膜为模板诱导碳酸钙矿化的初步探索
• 4.7 引言
• 4.8 实验部分
• 4.8.1 材料与试剂
• 4.8.2 静电纺丝
• 4.8.3 矿化体系
• 4.8.4 测试和表征
• 4.8.4.1 pH值的测定
• 4.8.4.2 扫描电子显微镜测试
• 4.8.4.3 红外光谱测试
• 4.8.4.4 X-射线衍射光谱测试
• 4.9 结果与讨论
• 3/CaCl₂溶液中多层复合物的制备及其表征'>4.9.1 丝蛋白电纺膜于SF/NaHCO₃/CaCl₂溶液中多层复合物的制备及其表征
• 2扩散法”制备多层复合物及其表征'>4.9.2 “CO₂扩散法”制备多层复合物及其表征
• 4.9.2.1 pH值对晶体形貌的影响
• 4.9.2.2 添加物的影响
• 4.10 本章小结
• 参考文献
• 第五章 博士论文工作总结
• 博士期间论文发表情况
• 致谢