丝素蛋白自组装行为及其在生物医药方面的应用研究

论文题目: 丝素蛋白自组装行为及其在生物医药方面的应用研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 高分子化学与物理

作者: 曹正兵

导师: 邵正中

关键词: 丝素蛋白,构象,自组装,纳米微球,多孔支架,组织工程,神经导管

文献来源: 复旦大学

发表年度: 2005

论文摘要: 蚕丝由于其特殊的光泽、透气性好、吸湿性强、手感好同时兼具高强度等优点，致使人类对其已有上千年的开发利用历史。然而近年来国内外对蚕丝及其主要的蛋白—丝素蛋白(silk fibroin，简称为SF)的应用正从传统的纺织领域积极向非纺织领域渗透和扩展。蚕丝及丝素蛋白由于其优异的生物相容性、可生物降解性和透气透氧性而广泛应用在手术缝合线、伤口敷料、软接触透镜、酶固定化材料、组织工程以及药物缓释材料等方面。众所周知，丝素蛋白可以加工成各种形状，例如凝胶、纤维、粉末、多孔材料、膜等以满足不同的应用需要，但很少有关于丝素蛋白制备纳米、微米材料的相关报道。作为药物或基因等物质的载体，纳米、微米体系对各类物质具有优异的缓释、控释能力；同时纳米、微米缓释体系还可以提高药物的靶向性、提高药物的生物利用度等显著优点，因此，对丝素蛋白纳米微球的研究具有很高的价值。分子自组装构筑纳米材料是目前最具活力的研究领域之一，特别是蛋白质分子自组装行为。科学研究表明，人类的许多种疾病的起因与蛋白折叠异常有着密切的关系。在本论文的研究中，我们开发出了一种新颖的方法，使丝素蛋白在特定条件下通过自组装形成具有规整结构的蛋白基纳米微球和多孔支架材料。工艺过程简单，而且制备过程无需过多接触强毒性有机溶剂等有害物质。除此之外，我们对自组装制备的丝素蛋白纳米微球以及多孔支架在生物医药方面的应用进行了初步的探索，如药物缓释、磁靶向以及“人工皮肤”支架材料；同时也对制备的多孔支架的生物相容性、生物降解性进行了动物体内研究，并以SD(Sprague Dawley)大鼠为动物模型，对丝素蛋白多孔神经导管在SD大鼠面神经的修复过程中的作用进行了系统研究。第一部分工作中，我们系统地考察了丝素蛋白溶液在乙醇和冷冻的协同作用下，自组装形成纳米级微球的过程。制备条件相对简单，所制备的纳米粒子具有规整的球型结构，分散性好且稳定，冻干后易再次分散到水中。丝素蛋白纳米微球粒子尺寸随乙醇添加量在一定范围内增大而减小、多分散性指数降低。可以通过调节丝蛋白浓度、变性剂添加量、冷冻时间、冷冻温度等参数制备出粒径范围在200～1000nm，且粒径可控的单分散纳米微球。丝素蛋白多孔支架可通过对其在特定条件下分子组装的控制而形成，制备过程整合了溶液浇铸和蛋白质特定条件下的构象转变。得到的多孔支架材料具有规整的开孔式结构，孔隙间互相贯通，有着较好的力学性能，更为重要的是其结构和性能可以根据不同的应用需要进行适当的调控。通过本方法制备的多孔支架材料具有很好的可塑性，支架的三维结构完全由浇铸模具决定，因此可以根据不同的需要制备出各种形状的生物材料；所制备的多孔支架材料的孔隙率为85％～98％、孔径10～350μm、杨氏模量1.9～8.9MPa，在最佳条件下其湿态拉伸强度达750KPa，而断裂伸长率高达70％。蛋白变性剂种类、正丁醇添加量、丝素蛋白浓度、冷冻温度、冷冻时间等对丝素蛋白组装可行性以及对多孔支架微观结构和力学性能有较大的影响，通过调节以上参数可以对多孔支架材料的性能和结构进行可控调节。在成功制备丝素蛋白纳米微球和多孔支架的基础上，对其在生物医药领域的应用进行了探索性研究。分别用丝素蛋白纳米微球和多孔支架负载抗癌药物5-FU，并对其药物缓释性能进行考察，研究表明药物缓释初期释放速度较快，后期5-FU基本恒速释放。同时，对赋予丝素蛋白纳米粒子的磁靶向也进行了尝试，并结合制备的工艺特点，采用了不同的方法制备出具有双层结构的“人工皮肤”支架材料。本研究还考察了多孔支架的生物相容性、雪旺氏细胞的实验室培养以及多孔神经导管对SD大鼠面神经修复的动物模型研究。雪旺氏细胞是支持中枢神经系统的特殊细胞，雪旺氏细胞能分泌许多不同的神经营养因子，如神经生长因子(NGF)，脑源性促神经因子(BDNF)等。研究结果表明，丝素蛋白多孔材料具有较好的生物相容性，体内埋藏2个月后，细胞攀爬较好，有明显的毛细血管长入；而多孔支架在体内有一定的降解，不过降解程度不高，需要更长的时间才能完全降解。体外细胞培养表明，雪旺细胞能够在丝素蛋白支架上良好生长。神经导管的桥接对SD大鼠的离断的面神经具有较好的修复作用。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 丝素蛋白的研究现状

1.1.1 蚕丝结构及化学组成

1.1.2 丝素蛋白的构象及聚集态结构

1.1.3 蚕丝及其丝素蛋白在生物医药方面的应用

1.2 纳米生物医学的研究现状

1.2.1 纳米药物缓释

1.2.2 纳米药物缓释系统的类型

1.3 组织工程

1.3.1 基本原理

1.3.2 组织工程支架的研究状况

1.3.3 组织工程用天然生物材料

1.3.4 多孔支架的制备方法

1.4 蛋白质分子自组装

1.4.1 分子自组装

1.4.2 聚合物分子自组装

1.4.3 蛋白质分子自组装

1.5 课题的提出以及研究的目的和主要内容

第二章丝素蛋白自组装制备纳米微球

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 材料与试剂

2.2.2 丝素蛋白样品的制备

2.2.3 丝素蛋白微球的制备

2.2.4 丝素蛋白微球的表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 水溶液中丝素蛋白纳米粒子的形成

2.3.2 丝素蛋白自组装行为的原子力显微镜(AFM)研究

2.3.3 丝素蛋白自组装行为扫描电镜(SEM)研究

2.3.4 丝素蛋白自组装行为的模型

2.3.5 乙醇添加量对丝素蛋白自组装行为的影响

2.3.6 丝素蛋白自组装过程中的构象研究

2.3.7 丝素蛋白自组装行为的浓度依赖性

2.3.8 丝素蛋白自组装行为中冻结温度的影响

2.3.9 丝素蛋白自组装行为的pH值依赖性

2.3.10 丝素蛋白纳米溶液稳定性考察

2.4 本章小结

第三章丝素蛋白自组装制备多孔支架

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 材料与试剂

3.2.2 丝素蛋白样品制备

3.2.3 自组装制备丝素蛋白多孔支架

3.2.4 丝素蛋白多孔支架表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 丝素蛋白多孔支架形成

3.3.2 丝素蛋白浓度对多孔支架性能的影响

3.3.3 正丁醇添加量对丝素蛋白多孔支架性能的影响

3.3.4 冷冻温度对多孔支架微观结构的影响

3.3.5 丝素蛋白在多孔支架中其构象的NMR研究

3.3.6 乙醇后处理对丝素蛋白构象组成调控作用的NMR研究

3.4 本章小结

第四章丝素蛋白在生物医药方面的应用

第一部分丝素蛋白在药物缓释方面的初步应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 材料与试剂

4.2.2 5-FU负载丝素蛋白纳米微球的制备及其释放性能考察

4.2.3 5-FU负载丝素蛋白多孔支架的制备及其释放性能考察

4.2.4 磁性丝素蛋白纳米微球的制备及其性能考察

4.3 结果与讨论

4.3.1 5-FU负载丝素蛋白纳米微球释放性能考察

4.3.2 5-FU负载丝素蛋白多孔支架释放性能考察及其释放速度的调控

4.3.3 磁性丝素蛋白纳米微球性能的考察

第二部分丝素蛋白“人工皮肤”支架材料方面的初步尝试

4.4 引言

4.5 实验部分

4.5.1 材料与试剂

4.5.2 丝素蛋白“人工皮肤”支架材料的制备

4.5.3 丝素蛋白“人工皮肤”支架材料的SEM观察

4.6 本章小结

第五章多孔神经导管的制备及其动物模型研究

5.1 引言

5.2 丝素蛋白多孔神经导管的制备及其表征

5.2.1 样品制备

5.2.2 扫描电镜(SEM)观察

5.3 多孔丝素蛋白材料组织相容性的初步研究

5.3.1 材料、试剂及主要仪器

5.3.2 实验方法

5.3.3 实验结果与讨论

5.4 丝素蛋白多孔支架与雪旺细胞相容性的初步观察

5.4.1 材料、试剂及主要仪器

5.4.2 实验方法

5.4.3 实验结果与讨论

5.5 丝素蛋白导管修复面神经缺损的动物实验

5.5.1 材料、试剂及主要仪器

5.5.2 实验方法

5.5.3 实验结果与讨论

5.5 本章小结

第六章博士论文总结

致谢

发布时间: 2007-10-15

参考文献

[1].构建骨髓间充质干细胞/牛骨形态发生蛋白/丝素蛋白组织工程骨的实验研究[D]. 徐卫袁.苏州大学2005
[2].仿生合成丝素蛋白/羟基磷灰石复合支架材料的骨组织工程研究[D]. 赵勇.四川大学2006
[3].复合丝素蛋白神经导管的制备及周围神经缺损的修复研究[D]. 王亚玲.江南大学2016
[4].再生丝素蛋白材料的制备[D]. 尹建伟.复旦大学2011
[5].丝素蛋白/磷酸八钙复合多孔支架的成骨性能研究[D]. 胡元斌.苏州大学2016
[6].可降解多孔型丝素蛋白/羟基磷灰石的制备及其修复骨缺损的实验研究[D]. 王根林.苏州大学2008
[7].丝素蛋白/磷酸钙骨水泥的制备及其强化骨缺损椎体的实验研究[D]. 陈晓庆.苏州大学2009
[8].真丝小口径人工血管材料表面自组装改性及性能评价[D]. 沈高天.东华大学2016
[9].胎盘间充质干细胞与丝素蛋白/羟基磷灰石材料在骨创伤修复中的实验研究[D]. 苗宗宁.苏州大学2010
[10].再生丝素纤维的制备及其在人工韧带中的应用[D]. 吴惠英.苏州大学2015

丝素蛋白自组装行为及其在生物医药方面的应用研究

猜你喜欢