丝素蛋白/羧甲基壳聚糖复合水凝胶的制备及性能研究

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水凝胶材料由于具备与人体软组织相似的特性在生物医学领域异军突起,受到科研人员的青睐。研究者将凝胶原料锁定再生丝素蛋白,丝素蛋白(Silk fibroin,SF)是一种从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白,含有与人体相同的18种氨基酸,具有良好的生物相容性、降解产物无毒性及低免疫原性,非常适于做医用材料。但再生丝素蛋白主要以无规卷曲结构溶于水,自然条件下凝胶速率极低,形成的凝胶呈不均一颗粒状、弹性性能差、溶胀性能劣,限制了其作为水凝胶材料的应用。  羧甲基壳聚糖是一种水溶性的壳聚糖衍生物,本研究中所用的是O-羧甲基壳聚糖,取代度为90%,其分子链中含有大量的羧甲基,羧甲基壳聚糖类复合材料具有引导神经再生、防止组织黏连、促进伤口愈合、减少瘢痕形成等优点,但用其做成的凝胶材料吸水能力过强,质脆易碎,很难在临床医学领域大规模应用。碳酰二亚胺盐酸盐(EDC)是一种具有异双功能的零长度交联剂,可活化羧基,促进酰胺键的形成,具有反应条件温和,选择性好,对环境友好等特点,常被用于生物材料交联剂。  本研究以丝素蛋白和羧甲基壳聚糖两种天然的生物材料为基材,将EDC作为交联剂,通过共混、乙醇处理等方法,制备出丝素蛋白/羧甲基壳聚糖复合水凝胶。通过扫描电镜(SEM)、力学测定仪、红外光谱分析(FTIR)、热力学分析(DSC-GTA)等手段表征复合水凝胶的各项性能,获得细胞相容性优的丝素蛋白/羧甲基壳聚糖复合水凝胶材料。  不同浓度的丝素蛋白与羧甲基壳聚糖溶液按体积比1∶1共混均匀,通过EDC交联、75%乙醇脱水处理,得到具有酰胺键交联与β-折叠交联的双网络结构水凝胶,当丝素蛋白/羧甲基壳聚糖浓度比例达1∶1时,水凝胶微观呈清晰的纤维网络结构,分布均匀有序,连通性好,与天然细胞外基质结构相似。研究结果表明,两者浓度比例为1∶1时,弹性模量由纯羧甲基壳聚糖水凝胶6.12KPa提高到370KPa。此外随着丝素蛋白浓度的升高,水凝胶在磷酸盐缓冲液(pH7.4)中吸水率最大减少值达30%,其受热分解温度由316.67℃提高到340.56℃。其弹性模量、溶胀稳定性、生物降解性能及热力学稳定性显著提高。  细胞实验表明,对培养条件要求较高的大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSC)在水凝胶浸提液中适应一段时间后便逐渐恢复正常的生长状态,丝素的添加未对细胞的生长产生不利影响,反而促进细胞增殖。成纤维细胞L929在复合水凝胶材料的黏附、铺展与增殖状态良好,rBMSC复合水凝胶的黏附、增殖情况尚可。复合水凝胶为细胞的生长营造了适宜的环境,具有良好的细胞相容性,有望作为医用材料应用于软骨支架、伤口敷料等领域。  本研究为丝素蛋白材料应用于医学领域提供了理论基础。
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