医用再生丝素蛋白材料制备与研究进展(3)
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【关键词】
【摘要】在再生丝素蛋白溶液中添加有机溶剂形成凝胶的方法简单有效。有机溶剂的极性可以破坏丝素分子链内的氢键和静电的相互作用,使分子链舒展并形成具有
在再生丝素蛋白溶液中添加有机溶剂形成凝胶的方法简单有效。有机溶剂的极性可以破坏丝素分子链内的氢键和静电的相互作用,使分子链舒展并形成具有β-折叠结构的疏水性大分子链段,链段之间调整重排相互连成立体网状结构,形成水凝胶[26-27]。Gong等[28]在再生丝素蛋白水溶液中加入乙醇,蛋白质分子链在室温下迅速向β-折叠结构转变,凝胶时间可大大缩短,甚至只需几小时。Hanawa等[29]将甘油和乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)分别加入丝素蛋白溶液,傅里叶变换红外光谱结果显示,丝素蛋白由无规卷曲迅速向β-折叠结构转变,凝胶速率随着无机溶剂含量的增加而加大。EGDE在丝素溶液中除了发挥有机溶剂的作用破坏分子间相互作用外,还可以限制丝素蛋白分子链的运动,促进β-折叠构象的形成,因此EGDE与低质量分数丝素溶液混合后,也可以在很短的时间内得到形态良好的丝素蛋白水凝胶。形成的水凝胶中的有机溶剂可通过透析或水洗除去,安全简便。
影响水凝胶性质的因素很多,研究者们发现凝胶温度升高,形成的水凝胶孔径减小,孔分布更均匀,机械强度和模量也增大[18];丝素蛋白溶液质量分数越大,水凝胶溶胀率越大,对离子的敏感度也越大[30]。长期以来人们认为水凝胶的形成只与丝素蛋白溶液中β-折叠结构的含量有关[26,31],然而研究表明,最初的凝胶过程是由于氢键和静电相互作用,丝素蛋白中未形成β-折叠结构,温度与pH值对凝胶过程的影响是由于温度升高增加了氢键,阳离子可与羧基反应,中性条件下羧基带电,可与碱基发生静电相互作用[2,32]。
2.2 多孔支架
多孔支架因其优异的力学性能、生物降解性等,被广泛用于组织工程中组织的修复。其中,研究最多的是利用丝蛋白支架进行骨组织的修复。支架中添加生长因子,能更好地应用于缺损组织的修复[10,33]。
2.2.1 冷冻干燥法
冷冻干燥法是将丝素蛋白溶液在低温下冷冻,然后置于低温高真空装置中,让冰直接升华而使样品干燥,从而得到多孔支架[34]。冷冻干燥法制备丝素蛋白三维多孔支架的实验条件与方法都已有比较系统的研究,可通过改变再生丝素蛋白溶液的质量分数、冷冻温度、冷冻时长等条件控制多孔支架的孔径、孔隙率、力学强度等性能。丝素蛋白多孔支架结构疏松,具有优良的吸附性和止血性[35-36]。杨亚冬等[37]用冷冻干燥法制备了不同混合比例的丝素/壳聚糖多孔支架,结果表明丝素质量分数越大、冷冻温度越低则支架孔径、孔隙率越小,孔密度越大。丝素/壳聚糖质量比为5∶5和4∶6的支架松软如海绵,孔径分布和尺寸均匀,4周降解率分别为64.3%和60.0%,满足软骨组织工程支架要求。
2.2.2 粒子致孔法
粒子致孔法是在丝素蛋白溶液中加入致孔粒子(如氯化钠、柠檬酸钠等水溶性无机盐或糖、石蜡粒子等),混合均匀后固化成型,再根据丝素与粒子不同的溶解特性或挥发性,除去粒子,于是粒子原来所占空间被孔隙替代,即得到了多孔支架,支架的孔径一般略小于致孔粒子尺寸。通过改变致孔粒子含量、尺寸、丝素蛋白质量分数等参数,可以精确调控多孔支架材料的孔形貌、孔径、力学强度等[35,38,39]。有研究证明使用糖颗粒比盐颗粒获得的支架材料具有更好的力学性能,降解速度也较慢[40]。
2.2.3 快速成型法
快速成型法是指使用3D打印技术制备丝素蛋白支架。3D打印技术性能优越,适用材料广泛,将与人体生物相容性很好的生物材料进行3D打印的技术被称为三维生物打印技术[41]。三维生物打印技术在计算机的精确控制下,通过设备将丝素蛋白水凝胶进行层层堆积,并迅速固化,制造出具有特定几何形状的多孔支架材料,最大的优势在于能够仿真模拟人体器官,构建出一体化的复杂几何外形和内部微细结构。该技术还具有成型快速、无须模具、使用方便等优点,有望实现个性化治疗[35]。三维生物打印必须解决的一个关键技术问题是打印墨水的快速凝胶成型,有关研究采用电凝胶法制备蚕丝蛋白水凝胶,并用有机醇处理和紫外光固化等手段探索了其快速凝胶成型机制,结果表明通过紫外光固化可加速丝素蛋白水凝胶的成型[20,42,43]。
2.2.4 气体发泡致孔法
气体致孔法制备支架无须使用有机溶剂,但该法制备多孔支架时形成的孔为闭孔。将气体与粒子致孔法相结合可以在支架中形成开孔。适用于气体发泡致孔法的试剂种类较少,对此方法的研究也较少。Rina等[44]用再生丝素蛋白/乙醇混合制备成水凝胶后添加碳酸氢铵,置于热水中,通过二氧化碳气体制备了丝素蛋白支架材料,材料孔隙率较高,孔径较均匀,孔壁容易断裂,但压缩性能明显比冷冻干燥法和粒子致孔法制备的支架材料好。
文章来源:《生物数学学报》 网址: http://www.swsxxb.cn/qikandaodu/2021/0331/442.html