（材料加工工程专业论文）玉米醇溶蛋白聚己内酯复合纳米纤维膜的制备及性能研究.pdf

浙江理r 人学硕+ 论文 玉米醇溶蛋白聚己内酯复合纳米纤维膜的制备及性能研究 摘要 本文首先通过共混静电纺丝方法制备出了玉米醇溶蛋白聚己内酯( z e i n p c l ) 共混复 合纳米纤维膜，然后通过同轴静电纺丝方法制备出了玉米醇溶蛋白聚己内酯( z e i n p c l ) 皮芯结构同轴复合纳米纤维膜，形貌结构研究表明，随着复合纳米纤维中聚己内酯相对含 量的增加，复合纳米纤维的直径逐渐增大，结晶逐渐变好，但复合纳米纤维中两组分之间 始终处于相分离状态，没有发生化学键合作用。力学性能测试表明，随着静电纺玉米醇溶 蛋白聚己内酯复合纳米纤维中p c l 含量的增加，复合纳米纤维膜的拉伸破坏应力逐渐增 加，且断裂伸长率和杨氏模量也随之逐渐增大，复合纳米纤维膜的韧性逐渐变好，力学性 能得到明显改善。细胞培养结果表明，l 9 2 9 细胞在静电纺z e i n p c l 纳米纤维支架和静电 纺z e i n p c l 纳米纤维支架上均能够很好地黏附增殖。 在等量的两种纤维膜中，3 0 7 0 的共混复合纤维膜和内外层流率分别为0 0 1m l m i n 、 0 0 0 8m l m i n 的同轴复合纤维膜中两种基体物质的相对含量相同，通过横向对比可知，共 混静电纺z c i n p c l 复合纤维的平均直径较小，纤维膜略软而韧，而同轴静电纺z e i n p c l 皮芯结构复合纤维支架的抗拉伸破坏应力更大，且l 9 2 9 细胞培养表明，同轴静电纺 双 z e i n p c l 皮芯结构复合纤维支架具有更好的细胞相容性。 为了定向研究z e i n p c l 复合纳米纤维膜在骨组织工程支架材料领域的应用前景，先 后分别向上述两种纤维中添加具有成骨活性的纳米羟基磷灰石纳米颗粒，制备出三组分的 共混和同轴结构复合纤维膜。 在n h a z e i n p c l 复合纳米纤维膜中，随着n h a 含量的增加，纤维直径逐渐降低，纤 维表面变得凹凸不平，更有利于细胞黏附，且由于颗粒增强作用，力学性能随着纳米羟基 磷厌石含量的增加先提高后降低。当n h a 含量增大至3 0 时，复合纤维膜仍能保持良好 的力学性能，m g 6 3 人骨肉瘤系细胞培养表明，添加纳米羟基磷灰石之后复合纤维的黏附 增值效果有所提高。 在纳米羟基磷灰石玉米醇溶蛋白聚己内酯皮芯结构同轴复合纳米纤维膜中，纳米羟 基磷灰石颗粒被均匀掺杂于皮层物质玉米醇溶蛋白之中，随着同轴复合纳米纤维中纳米羟 基磷灰石含量的增加，纤维的直径先增大后减小，纤维表面粗糙度增加，纤维中p c l 的结 晶性能逐渐变差，纳米羟基磷灰石的结晶逐渐变好。相比于n h a z e i n p c l 0 同轴复合纳米 浙江理t 火学硕士论文 纤维，皮层含有质量分数为3 0 纳米羟基磷灰石的复合纳米纤维膜仍具有较好的力学性能。 初始杨氏模量为2 8 6 m p a ，断裂应力为2 6 7 m p a ，断裂应变为8 3 。人骨肉瘤系细胞( m g 6 3 ) 培养表明，添加纳米羟基磷灰石可明显提高n h a z e i n p c l 皮芯结构复合纤维的细胞黏附 与增值性能，a l p 活性也有所增强。细胞在支架上生长情况良好。 对于相同质量和相同质量比( 3 0 7 0 ) 的z e i n p c l 复合纤维和z e i n p c l 同轴皮芯结 构复合纤维，当共混体系和同轴体系的皮层中n h a 含量均为3 0 时，通过对纤维形貌， 力学性能和生物相容性的对比研究，得出共混静电纺丝方法制备出的n h a z e i n p c l 复合 纤维细丝较多，略显杂乱，直径误差较大，而同轴皮芯结构的n h a z e i n p c l 纤维较为齐 整，表面光滑无粘连。共混静电纺丝方法制备出的n h a z e i n p c l 复合纤维膜拉伸破坏应 力为3 0 1m p a ，拉伸破坏应变仅为4 8 ，杨氏模量为2 7 0m p a ，相对硬而脆，而同轴静电 纺丝方法制备出的n h a z e i n p c l 皮芯结构复合纤维拉伸破坏应变为8 3 ，但是断裂应力 较低，相对软而韧。同轴静电纺n h a z e i n p c l 复合纤维支架的细胞培养结果更好。 关键词：玉米醇溶蛋白：聚己内酯；纳米羟基磷灰石；静电纺丝；复合纳米纤维支架；细 胞培养 浙江理工大学硕士论文 s t u d y o nt h ep r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so fz e i n p o l y ( - c a p r o l a c t o n e ) c o m p o s i t eu l t r a f i n ef i b r o u sm e m b r a n e s v i ae l e c t r o s p i n n i n g a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，z e i n p o l y ( e - c a p r o l a c t o n e ) c o m p o s i t eu l t r a f i n ef i b r o u sm e m b r a n e sw e r e p r e p a r e dv i ae l e c t r o s p i n n i n g ，a n dz e i n p o l y ( - c a p r o l a c t o n e ) c o r e - s h e l lc o m p o s i t eu l t r a f i n e f i b r o u sm e m b r a n e sw e r ep r e p a r e dv i ac o - a x i a le l e c t r o s p i n n i n g t h em o r p h o l o g ya n ds t r u c t u r eo f t h ec o m p o s i t eu l t r a f i n ef i b r o u sm e m b r a n e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e d i a m e t e ro ft h ef i b e r sf i r s t l yd e c r e a s e dt h e ni n c r e a s e d ，a n dt h ec r y s t a l l i n i t yo ft h ef i b r o u s m e m b r a n e sb e c a m eb e t t e rw i t hi n c r e a s i n go fp c lc o n t e n ti nt h ef i b r o u sm e m b r a n e s b u tt h et w o k i n d so fc o n t e n tw a sa tp h a s es e p a r a t i o nc o n d i t i o n ，a n dn e v e rr e a c t e dw i t h e a c ho t h e r t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fz e i n p c lc o m p o s i t eu l t r a f i n ef i b r o u sm e m b r a n e sg e tb e t t e ra n db e t t e r a st h ec o n t e n to fp c li n c r e a s e d t h r o u g hv i t r oc e l lc u l t u r ee x p e r i m e n t ，t h e b i o l o g i c a l p r o p e r t i e so ft h ef i v ek i n d so fu l t r a f i n ef i b r o u ss c a f f o l d sw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h el 9 2 9m o u s ef i b r o b l a s t sp r o l i f e r a t e dw e l lo nb o t ho ft h et w of i b r o u sm e m b r a n e s w h e nt h et w oc o n t e n tr a t i ow a s3 0 7 0i nb l e n df i b e rm e m b r a n e ，a n di n n e ra n do u t e rl a y e r f l o wr a t ew e r e0 0 1m l m i na n do 0 0 8m l mi nc o a x i a lc o m p o s i t ef i b e lt h ea m o u n ta n d r e l a t i v er a t i oo ft h et w ok i n d so ff i b e rm e m b r a n ew a sa tt h es a m e t h r o u g hh o r i z o n t a lc o m p a r i s o n ， t h ea v e r a g ef i b e rd i a m e t e rw a so fl e s ss l i g h t l ys o f ta n dt o u g hi nb l e n de l e c t r o s p u nz e i n p c l c o m p o s i t e ，f i b r o u sm e m b r a n e ，a n dt h et e n s i l es t r e s so fc o a x i a le l e c t r o s t a t i cs p i n n i n gz e i n - p c l c o r e - s h e l ls t r u c t u r ec o m p o s i t es c a f f o l d sw a sg r e a t e r , a n dh a sb e t t e rc e l lc o m p a t i b i l i t y i no r d e rt oo r i e n t a t et h ez e i n p c lc o m p o s i t es u p e r f i n ef i b e rm e m b r a n es c a f f o l dt ob o n e t i s s u ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，h y d r o x y a p a t i t en a n o p a r t i c l e sw h i c hh a so s t e o g e n i ca c t i v i t yw a s a d d e dt ot h et w ok i n d so ff i b e rp r e p a r a t i o na b o v e ，t h e nt h ec o m p o s i t ef i b e rm e m b r a n eo ft h r e e c o m p o n e n t sb l e n dw a s p r e p a r e d i nn h a z e i n p c lc o m p o s i t es u p e r f i n ef i b e rf i l m ，a st h eh y d r o x y a p a t i t ec o n t e n ti n c r e a s e d ， t h ef i b e rd i a m e t e rr e d u c e dg r a d u a l l y , t h ef i b e rs u r f a c eb e c o m e su n e v e n ，w h i c hw a sm o r e c o n d u c i v et oc e l la d h e s i o n ，a n da sar e s u l to fp a r t i c l er e i n f o r c e de f f e c t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f n h a z e i n p c lc o m p o s i t es u p e r f i n ef i b e rf i l mi m p r o v e df i r s t l ya n dt h e nt h e nd r o p e d w h e nt h e c o n t e n to fn h aw a s3 0 ，t h ec o m p o s i t ef i b e rm e m b r a n eh a st h eh i g h e s tc o n t e n to fn h aw i t h i i i g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c u l t u r i n gm g 6 3h u m a no s t e o s a r c o m ac e l ls h o w st h a t ，b o t ha d h e s i o n a n da p p r e c i a t i o ne f f e c ti m p r o v e da f t e ra d d i n gn h at ot h ec o m p o s i t ef i b e r i nn h a z e i n - p c lc o r e s h e l lc o m p o s i t eu l t r a f i n ef i b r o u sm e m b r a n e s ，n h ap a r t i c l e sw e r e u n i f o r m l yd o p e di nz e i n ，a sn h a c o n t e n ti ns h e l ls u b s t a n c ei n c r e a s e d ，t h ed i a m e t e ro ft h ef i b e r s i n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d ，f i b e rs u r f a c e r o u g h n e s si n c r e a s e d ，t h ec r y s t a l l i z a t i o n p e r f o r m a n c eo fp c lb e c o m e sw o r s e ，w h e nn h ac r y s t a l l i z a t i o nb e c o m e sb e t t e r c o m p a r e dt ot h e n h a z e i n - p c l - 0c o a x i a lc o m p o s i t es u p e r f i n ef i b e r n h a z e i n p c l 3 0c o m p o s i t es u p e r f i n ef i b e r h a sb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ei n i t i a ly o u n g 。sm o d u l u sw a s2 8 6 m p aw h e nf r a c t u r es t r e s s 2 6 7 m p a ，f r a c t u r es t r a i n8 3 t h o u g hc u l t u r e dm g 6 3c e l lo ni ts h o w e dt h a t ，a d d i n g n a n o m e t e rh y d r o x y a p a t i t ec a l l s i g n i f i c a n t l yi m p r o v en h a z e i n p c lc o r e s h e l ls t r u c t u r eo f c o m p o s i t ef i b e rc e l la d h e s i o na n dv a l u e a d d e dp e r f o r m a n c e ，a l pa c t i v i t ya l s oi n c r e a s e d c e l l s g r o w t hw a s i ng o o dc o n d i t i o n f o rt h ez e i n p c lc o m p o s i t ef i b e ra n dz e i n p c lc o a x i a lc o r e s h e l ls t r u c t u r eo f c o m p o s i t e f i b e r , b o t ho fw h i c hh a st h es a m eq u a l i t ya n dt h es a m eq u a l i t yr a t i o ( 3 0 7 0 ) ，w h e nt h eb l e n d i n g c o n t e n to fn h aw a s3 0 ，t h ef i b e rm o r p h o l o g y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d b i o e o m p a t i b i l i t yw a s c o m p a r a t i v e l ys t u d y e d ，t h ef i l a m e n to fn h a z e i n p c lc o m p o s i t ef i b e rw a sm o r e ，p r o m i s c u i t y , i t sd i a m e t e re r r o rw a sl a r g e ，a n dt h ec o a x i a lc o r e s h e l ls t r u c t u r eo fn h a z e i n p c lf i b e rs u r f a c e w a sn e a t ，s m o o t h t h en h a z e i n p c lc o m p o s i t ef i b e rm e m b r a n et e n s i l es t r e s sw a so f 3 0 1 m p a ，t e n s i l es t r a i nw a so n l y4 8 ，t h ey o u n g sm o d u l u sw a s2 7 0m p a ，r e l a t i v e l yh a r da n db r i t t l e ， a n dt e n s i l ef a i l u r es t r a i no fn h a z e i n p c lc o r e s h e l ls t r u c t u r ec o m p o s i t ef i b e rw a s8 3 ，b u t t h ef r a c t u r es t r e s sw a sl o w e r , r e l a t i v e l ys o f ta n dt o u g h i nt h i sc a s e ，c o r e s h e l ls t r u c t u r en h a z e i n p c lc o m p o s i t ef i b e rs c a f f o l d sp r e p a r e dv i ac o a x i a le l e c t r o s p i n n i n gf o rc e l lc u l t u r er e s u l t s w a sb e t t e r k e y w o r d s ：z e i n ；p o l y ( c a p r o l a c t o n e ) ( p c l ) ；n a n o - h y d r o x y a p a t i t e ( n h a ) ；e l e c t r o s p i n n i n g ； c o m p o s i t eu l t r a f i n ef i b r o u sm e m b r a n e s ；v i t r oc e l lc u l t u r e i v 浙江理1 ：火学硕十论文 1 1 引言 第一章绪论 静电纺丝技术是近年来发展起来的制备纳米纤维和纳米结构材料的一种新技术，其特 点是简单易行，所制得的纤维比表面积大，孔隙率小，纤维直径一般在几十纳米到几微米 之间，且尺寸可控【。广泛应用于无机纳米电缆【2 1 、药物缓释载体【3 1 、组织工程支架 4 1 、 基因诊断1 5 】等各大领域。 玉米醇溶蛋i 刍( z e i n ) 是一种来源广泛的天然蛋白，其可再生，具有独特的溶解特性、成 膜性、抑菌性和抗氧化性，可用于防潮、隔氧、抗紫外线、防静电等，已成为医药和生物技 术原料的重要来源。近年来，凭借其优良的降解性及生物相容性，玉米醇溶蛋白在组织工 程支架领域的应用尤为突出，例如：牙周组织工程1 6 】、骨组织工程【7 1 i s l 、皮肤组织工程【9 1 、 血管组织、神经组织以及心肌组织等支架材料的制备。聚己内酯( p c l ) 是一种由己内 酯开环聚合而制得的具有热塑性，生物降解性的半结晶性线性脂肪族聚酯，其加工性和力 学性能良好。 通过静电纺丝技术制备玉米醇溶蛋i 圭l ( z e i n ) 与聚己内酯( p c l ) 两种物质的复合纤维， 旨在综合该两种物质的优良性能，得到力学性能优异生物相容性良好的纳米纤维，将促进 其在组织工程支架领域的广泛应用。 1 2 组织工程支架 组织工程学是近年来新兴的- f j 生物科学，其旨在研究开发出另一种生物替代物，用 来修复、促进、维护人体各种组织或器官损伤和老化后的功能形态【1 0 l 。其基本原理是：将 某种体外培养的种子细胞吸附至一种具有优良的细胞相容性，降解性的生物支架材料( 细 胞外基质) 上形成复合物，然后将其一并植入人体组织或器官的损伤部位，在体液环境作 用下该支架材料逐渐被降解吸收，同时细胞不断黏附、增殖、分化、扩散，最终形成新的 组织或器官，从而达到修复创伤和重建功能的目的。 理想的组织工程三维立体支架材料必须具有以下条件：( 1 )本身具有一定机械强度和 力学性能。可供支撑体内组织的高强度，以保证材料植入人体后，不易发生形变；( 2 ) 有 一定的三维连通和微孔结构，孔隙率达到9 0 以上，以便为细胞或组织的生长提供足够的 空间和代谢环境：( 3 ) 界面具有一定的生物活性，可诱导细胞生长、分化、繁殖；( 4 ) 有 1 浙江理工人学硕士论文 良好的生物相容性，在体内或体外培养时，其本身降解产物都对机体无毒无害，且对种子细 胞和邻近组织无免疫性；( 5 ) 可体内降解，且降解物可通过新陈代谢排泄，对宿主毒性较 小。 组织工程支架材料通常有以下两种：( 1 ) 天然高分子材料，包括玉米醇溶蛋白、丝 素蛋白、胶原、纤维蛋白、甲壳素、透明质酸、明胶等。这些天然高分子材料来源丰富， 造价低，本身生物相容性好，利于细胞粘附、分化和增殖，以及有些材料具有天然的孔隙 结构系统。( 2 ) 人工合成高聚物材料，前提必须是可生物降解，人工合成高聚物材料不但 具有良好的机械性能，而且加工手段丰富，目前常用的人工合成高聚物材料主要有聚己内 酯( p c l ) 、聚乳酸( p l a ) 、聚羟基乙酸( p g a ) 以及它们之间的各种共聚物。它们在组织工 程中应用的主要结构形式有管状结构、多孔泡沫以及纤维支架等【1 1 1 。 组织工程支架的结构通常取决于其制备方法，目前，用于组织工程支架的制备方法主 要有：纤维黏结法、粒子沥滤法、溶剂浇铸法、拉伸法、模板法、自组装法、相分离法、 快速成型法和静电纺丝法。拉伸法能够制得单根纳米纤维长丝，但取材单一，只有粘弹性 材料才能制得。模板法是利以纳米多孔膜为模板，制备成纳米纤维或中空纳米纤维，但难 以制备连续的纳米纤维，且产量低。自组装法是利用物质分子间的相互作用力，依据特种 需要将已知的组分自发地组装成具有某种形貌或特定功能的纳米材料的一种方法，但该法 可控性较差1 1 2 】。 其中静电纺丝法是一种可以用来制备连续的亚微米到纳米级纤维支架的简单而有效的 方法，以此技术构建的组织工程支架具有孔隙率高、比表面积大，以及较好的孔道连通， 从而使得静电纺丝支架能够最大程度地仿生天然细胞外基质结构，为细胞的生存提供良好 的微环境。 1 3 静电纺丝技术 1 3 1 静电纺丝的原理及装置 典型的静电纺丝装置如图l 所示，主要由高压电源( 一端接地) 、微量注射泵和接收 装置三部分组成。静电纺丝技术是在外加高压电源的作用下，带电聚合物溶液或熔融体在 静电场力、液滴表面张力、内部粘弹力、重力等的共同作用下在毛细管出e l 处形成一个锥 体，称为“泰勒锥 ，暂时达到受力平衡，当电场强度达到一定临界值时，锥体将克服液 滴的表面张力形成射流 1 3 - 1 5 1 。射流在几十毫秒内被牵伸数万倍，沿着不稳定的螺旋轨迹向 2 浙江理工大学硕士论文 前弯曲运动，称为“鞭动”。在此过程中，溶剂不断挥发或熔体逐渐固化，最后在接收装 置上沉积，从而形成网状的纤维毡。 2 1 高压电源2 接收装置3 微量注射泵4 注射器 5 妨丝液6 毛细管7 升降台 图1 1 静电纺丝装置示意图 影响静电纺丝的因素很多，综合起来主要有三个方面：( 1 ) 纺丝溶液的性质，包括纺丝 液的相对分子质量、表面张力，比热，相变热，浓度，粘度，电导率等，粘度对溶液的可 纺性有很大的影响，且是影响静电纺丝纳米纤维直径的最重要因素之一，不同的聚合物溶 液可能具有不同的可纺粘度范围。( 2 ) 纺丝环境条件，包括温度，空气湿度，环境气流速 度等。( 3 ) 纺丝参数设置，包括纺丝流率、电场强度、喷嘴与接收板之间的距离等【i 3 1 。 静电纺丝的收集装置主要有平板收集，滚筒收集，平行板收集，水浴收集等几种，不 同的收集装置对纤维的排列情况有很大影响，大致分为取向排列和无规排列两种。近年来 有不少学者对静电纺丝的接收装置做过大量研究，m a tt h e w s 等【1 6 】研究了滚筒接收装置中 圆柱体旋转速率对胶原质纤维排列情况的影响，当转速在5 0 0 r r a i n 以下时，得到的胶原质 纤维是无序杂乱的。当转速增加至4 5 0 0 r r a i n 时，胶原质纤维开始呈现一定程度的取向排 列。这种接收装置简单，但纤维高度有序的精度不高，纤维易断裂。s u n d a r a y 等【1 7 】利用尖 针作为辅助电极置于旋转的滚筒上，尖针的作用是用来增加静电纺丝喷射流的集中沉积。 这样便于得到大面积有序排列的纤维。t h e r o n 等【1 8 】利用圆盘尖端边缘为接收装置成功收集 到p e o 单根连续纤维。l i 等【1 9 。o j 利用平行排列的电极装置，用十字形排列的电极接收从 而得到了呈现一定图案的纤维图样。s m i t 等【2 1 】研究出了利用水浴槽来收集纤维，将纤维首 先沉积到水浴中的水表面，然后将其缓缓拉至水浴槽边缘，在被拉出水面缠绕在旋转圆辊 3 浙江理工人学硕+ 论文 收集装置上的瞬间，纤维发生取向排列，表面张力作用使纤维毡汇合成纱线。随着研究的 刁i 断深入，依据不同用途和要求，将会有各种对应的收集装置被研制出来，不断推动静电 纺丝技术向前发展。 1 3 2 同轴静电纺丝技术 同轴静电纺丝是在传统静电纺丝的基础上发展而来的，其原理与传统的静电纺丝原理 基本相同，只是装置中喷丝部分略有改变( 如下图1 2 所示) ，将芯层和皮层材料的溶液分 装在两个不同的注射器中，用同轴复合喷嘴代替单一喷嘴产生均一稳定的同轴射流【2 2 1 。与 传统的静电纺丝技术相比，其优越之处在于，该技术可制备皮芯结构的连续复合纳米纤维， 同时具备两种或两种以上物质的综合性质，满足特定情况下特种功能纤维的需求，因此可 模仿天然细胞外基质结构。 何创龙【2 3 】等人采用同轴静电纺丝技术制备出以l 型聚乳酸为皮层材料，盐酸四环素为 芯层材料的皮芯结构纳米纤维膜，透射电镜下观察可看到该药物被包覆在一层很薄的可降 图1 2 同轴静电纺丝装置图 解聚合物l 型聚乳酸皮层中，形成一种储库型药物释放系统，结果表明该纳米纤维膜具有 良好的药物释放特性。x i a l 2 4 】等人分别选用钛酸四异丙酯醇和矿物油作为皮层和芯层材料 进行同轴静电纺丝，制备出钛酸四异丙酯醇矿物油皮芯结构复合纳米纤维，然后再通过 溶剂萃取，去除矿物油，进而得到钛酸四异丙酯醇中空纤维。 此外，若将具有良好生物相容性的天然蛋白与力学性能优异的人工合成高聚物制成同 轴结构的纳米纤维，能够弥补天然蛋白机械性能和合成高聚物生物相容性方面的不足。其 次，一些具有特殊生物活性功能的大分子物质，例如多肽、生长因子、酶、d n a 、特种药 物等，如果植入复合纤维芯层，由于喷射时电荷只集中在液滴外表面，则可为芯层提供一 4 浙江理工大学硕士论文 个温和天然的成丝环境，不受电场影响，可有效保持其原有活性，从而将能够有效的控制 约物释放。 传统的缓释药物制备通常需要把蛋白质类药物与有机溶剂混合，这样降低了蛋白质的 活性，王建广【2 5 1 等人利用同轴静电纺丝技术制备出“皮芯”结构神经生长因子纳米纤维缓 释载体，减少了蛋白质与有机溶剂的接触，结果表明：同轴静电纺丝方法制备的“皮芯” 结构缓释载体神经生长因子可保持一定程度的生物活性至少8 周。a n d r e a l 2 6 】等利用同轴静 电纺技术制备含有活细胞的生物活性支架：将浓缩的细胞悬浮液置于内管，将高粘度的医 用聚二甲基硅烷( p d m s ) 基质置于外管，保持一定的电导率，从而制备出含有活性细胞的 微型纤维支架。经过m t t 法测试表明，静电纺后的细胞未发现损伤现象，证明了采用同 轴共纺技术制备含有活细胞的工程支架的可行性。j i a n g 等【27 】通过同轴静电纺技术制备出了 以p c l 为皮层、以牛血清白蛋白b s a 为芯层的复合纤维，用于控制牛血清白蛋白的释放 速率。研究结果表明，b s a 的释放速度和装载比例可以通过纺丝时注射泵的挤出流率来有 效控制，然后再在芯层中添加聚乙二醇( p e g ) ，进一步改善了b s a 的释放行为，随着p e g 含量增加，b s a 释放速度也随之增加，多数b s a 都可以在1 周到1 个多月内从皮一芯结 构纤维中释放出来。 以上研究表明，同轴静电纺丝技术能够将天然材料和人工合成材料以一种特定结构有 效结合在一起，由此得到的复合材料同时具备天然材料良好的生物相容性作用和合成材料 优良的机械1 j i - r 性能和力学性能，用于制备缝合线、伤口包敷材料等，同时皮芯结构的包 覆作用还为活性因子的控制释放提供了理想的平台。 1 4 玉米醇溶蛋白 1 4 1 玉米醇溶蛋白的性质及应用 玉米醇溶蛋白是从玉米蛋白粉中提取的主要蛋白质，约占蛋白粉总量的5 0 一6 0 ， l8 2 1 年由j o h ng o r h a m 首次提取分离并将其命名为z e i n ，从此开始受到科研界的广泛关注。 以玉米为原料的深加工型企业，每年会产生大量的玉米蛋白粉副产物，但这些副产物中缺 乏人体所需的赖氨酸、色氨酸等氨基酸，还存在色泽和气味等问题，因而在食品工业的应 用受限，被广泛用于工业。其中所含的玉米醇溶蛋白具有良好的成膜性，抗氧化性以及凝 胶化性，已被作为表层材料广泛用于食品行业，用玉米微球蛋白作糖衣还可以保护药品在 服入人体后免受胃酸的侵害。此外，它具有可再生和生物降解的独特优势。 s 浙江理工人学硕士论文 m c k i n n e y t 2 8 j 曾将玉米醇溶蛋分为a z e i n 和b z e i n 两类，其中a z e i n 可溶于9 5 的乙醇，b z e i n 仅能溶于6 0 的乙醇但不溶于9 5 的乙醇。 玉米醇溶蛋白的应用：( 1 ) 制备药物缓释载体，近年来，随着微球技术在多种疾病的 治疗研究中的兴起，凭借玉米醇溶蛋白良好的成膜性，天然性，可降解性，被首选开发制 成微球壁材，并与微球结合形成微球蛋白，对特定药物实现控制释放。黄国平等【2 9 】研究表 明：以玉米醇溶蛋白作为药物缓释材料的片剂，释放时间都在6 h 以上。孙庆申【3 0 】同样以 玉米醇溶蛋白为原料制备成蛋白微球，研究结果表明该蛋白微球新剂型极大程度上抑制了 释药初期药物的突释现象。( 2 ) 制作食品保鲜膜。将一定的增塑剂( 长链脂肪酸等) 混合 到玉米醇溶蛋白的醇溶液中，通过涂布于剥离性好的载体上，制成的膜具有防潮、隔氧、 保香等特性，将其用于蔬果保鲜，能减少贮藏期内果蔬的水分散失，使果蔬的呼吸强度受 到抑制，从而延缓果蔬的衰老速率。( 3 ) 制作粘合剂。在玉米醇溶蛋白的醇溶液中添加脂 肪酸，或者对含玉米醇溶蛋白1 0 3 0 的乙醇溶液进行加热，凝胶，都可制成膏糊状黏 合剂。可用于食品、木材、树脂、金属等各种材料的黏合。( 4 ) 制备生物活性肽。玉米醇 溶蛋白分子链中支链氨基酸和中性氨基酸含量很高，李鸿梅等【3 l j 用酶解法水解玉米醇溶蛋 白制取玉米功能肽，研究表明，玉米醇溶蛋白肽及其各种分离组分都具有抗氧化特性。( 5 ) 制备组织工程支架。刘型6 j 等人曾用溶剂浇铸粒子沥滤法制备玉米醇溶蛋白多孔支架，并采 用组织块法培养人牙周膜细胞，结果表明：制备的玉米醇溶蛋白支架外观呈一定厚度的海 绵体结构，支架孔隙率可达6 4 1 - - - 7 8 0 ，并具有均匀且相互贯通的孔墙结构，该多孔支 架浸提液培养的人牙周膜细胞在支架上伸展充分，生长旺盛。 1 4 2 玉米醇溶蛋白的静电纺丝研究现状 玉米醇溶蛋白作为天然蛋白，具有良好的成纤性，m i y o s h it 【3 4 1 等在2 0 0 5 年首次以玉米 醇溶蛋白为原料以乙醇水溶液为溶剂，进行静电纺丝，其主要研究了溶液浓度、电压以及 接收板距离等参数对纺出纤维形态的影响。结果表明，在高压静电场下玉米醇溶蛋白具有 可纺性，溶液浓度与电压之间相互制约，当纺丝电压较低仅为1 5 k v 时，纺丝液的浓度必须 达到一定值( 2 1 w t ) 以上才能纺得纤维；当电压较高达至u 3 0 k v 时，在较低的浓度( 18 w t ) 下就能纺得纤维；当电压进一步增加到3 5k v 以上时，不能进行静电纺丝。得出的最佳的纺 丝距离为l o c m ，纺制的纤维最小直径为7 0 0 n m 。 静电纺丝法制备的玉米醇溶蛋白纳米纤维膜具有孔隙率小，比表面积大等特点，然而 作为一种醇溶性玉米蛋白，其在溶液中易团聚且膜具有脆性，静电纺玉米醇溶蛋白纳米纤 6 浙江理：【大学硕士论文 维的强度尤其是湿强较低，且在水中很容易收缩，使其比表面积减小，因此有关其力学性 能的研究一直备受关注。其中一种改进方法就是将玉米醇溶蛋白与其它天然高分子物质或 人工合成高聚物共混进行静电纺丝，使制得的纤维综合具备两种或多种材料的优势，从而 改良玉米醇溶蛋白的脆性。 壳聚糖是自然界中第二大类丰富的多糖，是从动植物外壳中通过脱乙酰作用分离得到 的，其在特定环境下具有抗菌性，但是由于其溶解性较差，且溶液中阳离子容易聚集，可 纺性不是很好，需借助其他物质改善可纺性， s e r g i ot g 【3 5 1 等将壳聚糖与玉米醇溶蛋白以 不同比例用乙醇溶液共同溶解，配置成质量分数为2 5 的溶液，同时在溶液中添加三氟乙 酸，制备出一种具有抗菌性和生物相容性的天然纤维。 x i n s o n gl i1 3 6 1 等为了改变静电纺玉米醇溶蛋白的机械性能，将聚丙交酯乙交酯与玉米 醇溶蛋白共同溶于二甲基甲酰胺( d m f ) 配置成z e i n 质量分数分别为5 、7 5 和1 0 的三 种溶液。研究表明，加入p l g a 能明显改善z e i n 纤维膜的脆性，且混合纤维具有很好的生 物相容性。 1 4 3 静电纺玉米醇溶蛋白的改性研究 除了添加高聚物外，研究人员还不断探索出用化学交联、生物酶法反应的方法对玉米 醇溶蛋白进行改性，旨在提高其力学性能，加之其天然蛋白本身良好的生物相容性，以期 进一步扩大其在组织工程支架领域的应用。 化学交联是一种有效的改性方法，通过交联可促使z e i n 分子内以及分子间通过共价键 结合，从而实现提高z e i n 纤维膜力学性能的目的。常用的交联剂有戊二醛、二苯基甲烷二 异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、碳化二亚胺等。具体做法有两种，一是先将玉米醇溶蛋白溶 液交联后再进行静电纺丝，二是将静电纺丝制得的纤维膜置于交联剂中，进行浸泡交联。 李新松【3 7 1 等在静电纺玉米醇溶蛋白的交联改性方面申请了发明专利。 g o r d o nw s e l l i n 9 1 3 8 l 等以醋酸水溶液为溶剂，以戊二醛作为交联剂，对静电纺之前的玉 米醇溶蛋白纺丝液进行交联，该研究是第一次先将玉米醇溶蛋白溶液交联改性后再进行静 电纺丝制备纳米纤维。控制戊二醛含量、交联的时间和处理温度交替作为变量，静电纺丝 制成纤维后通过检测纤维在醋酸水溶液中的溶失率研究了变量对玉米醇溶蛋白交联的影 响。实验表明，该三个变量对纤维的溶失率均有很大的影响，在戊二醛含量一定的情况下， 纤维的溶失率随处理时间和温度的增加而减小；而在处理时间和温度一定的情况下，纤维 的溶失率也与戊二醛含量成反比。由溶失率的变化可知，戊二醛含量、交联的时间和处理 7 浙江理工大学硕士论文 温度均正作用于交联效果。力学测试表明，交联后纤维的杨氏模量和断裂强度均有所增加， f ! 断裂伸长率明显减小，说明交联后玉米醇溶蛋白分子内和分子问形成了三维网络结构， 分子排列更加有序，分子链之间不容易产生滑移。 由以上实验可知戊二醛对玉米醇溶蛋白具有良好的交联效果，但是，戊二醛对细胞的 毒性极强，不利于玉米醇溶蛋白在组织工程支架领域的推广应用，因此必须改用其它交联 剂。六亚甲基二异氰酸酯也是一种有效交联剂，有人曾利用涂敷与交联结合使用的方法， 利用六亚甲基二异氰酸酯作为交联剂成功制备出多糖水溶性衍生物复合纳米纤维膜，通过 改变交联剂的浓度、以及制备工艺等，可调节所制得复合纳米纤维膜的截留性能。y a oc 1 3 9 】 等以六亚甲基二异氰酸酯为交联剂，对静电纺玉米醇溶蛋白纳米纤维进行交联。研究了以 乙醇水溶液为溶剂时，不同质量分数的玉米醇溶蛋白在经过相同交联后结构和性能的变 化，力学性能测试表明：当玉米醇溶蛋白浓度较低时，纤维膜交联后杨氏模量和断裂强度 显著提高，断裂伸长减小；说明交联促进了分子链的有序排列，分子结构趋于规整；当质 量分数上升至4 0 时，交联后断裂强度达到三者中的最大值( 4 2 3 9 m p a ) ，但同时杨氏模 量有所减小，这是由于和其它两种浓度相比，质量分数为4 0 时，纺出纤维直径和排列规 整度较为适中，从而使纤维间结合更紧密。 静电纺纳米纤维的湿法交联常用酸作为交联剂，用碱作为催化剂，来提高纤维的机械 强度和稳定性，这里所采用的酸往往是柠檬酸和氧化磷酸，他们都是生物体新陈代谢的产 物，因此适合用于组织工程支架用纳米纤维的交联。w e i j i ex u 等以柠檬酸为交联剂，用 次磷酸钠为催化剂，静电纺得到不同质量分数的玉米醇溶蛋白纳米纤维膜，对交联结果验 证表明，一、交联后的静电纺玉米醇溶蛋白支架在3 7 的p b s 中放置1 5 天仍能保持良好 的纤维结构和水中稳定性，这是由于交联限制了分子运动，从而可在一定程度上阻碍纤维 的膨胀；二、随着交联剂浓度的增加，分子间形成的链桥数目增多，减弱了外力作用下分 子链段的滑移，纤维的断裂伸张应力明显增大，三、和交联前相比，n i h 3 t 3 小鼠细胞在 静电纺玉米醇溶蛋白纤维支架上的黏附性能基本不变，说明该交联剂对细胞无毒害作用， 且玉米醇溶蛋白纤维支架的黏附性能优于普通的浇铸膜，说明和普通的浇铸膜相比静电纺 纤维支架凭借其较大的比表面积和高孔隙率的优势，更有利于细胞生长。 除此之外，酶法改性也是蛋白质改性的一大趋势，目前多酚氧化酶( p p o ) 、转谷氨酰胺 酶( t g ) 、过氧化酶( p o d ) 等都可用于蛋白质的酶法交联1 4 1 1 。t g 已被用于b 乳球蛋白、酪蛋 白、小麦麦谷蛋白、大豆球蛋白分子内的交联改性。p o d 和p p o 还被用于改善某些蛋白 质的功能特性。但是到目前为止尚未出现对静电纺玉米醇溶蛋白纤维进行酶法改性的研究 8 浙江理工大学硕士论文 报道，y hy o n g 等【4 2 】人曾经尝试用蛋白质谷氨酰胺酶对玉米醇溶蛋白进行脱酰胺作用， 从撕改变其分子结构和性能。 1 5 聚己内酯 1 5 1 聚己内酯的性质及其静电纺研究现状 聚己内酯( p c l ) 是脂肪族直链聚酯的一种，t g 为6 0 ，熔融温度为6 3 。c ，2 5 0 c 开 始分解。具有良好的延展性，在多种溶剂中都能较好的溶解，溶解后在室温下即可以成型， 具有形状记忆的特性。由于其为脂肪族聚酯，燃烧热较小，对垃圾焚烧处理有较大用途。 此外，其易降解且降解产物无毒害，生物相容性良好，目前被广泛用于药物释放载体，组 织工程支架，全降解手术缝合