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PGDE

174生物技术世界 BIOTECHWORLD

体外均具有优良的生物相容性,用作生物医用手术缝合线已有几个世纪的历史[1]。丝素蛋白在体内可降解,并拥有远高于胶原蛋白的力学性能,后者是人体骨组织中主要的有机成分。胶原蛋白及一些其它生物高分子已被用于与羟基磷灰石的复合,以降低陶瓷材料的脆性,但是结果仍无法较好的达到承载部位骨填充的要求[2]。因而研究者,如Li Wang,卢神州等尝试将具有高强度的丝素蛋白与羟基磷灰石复合。但结果并没有预期理想,因为再生的丝素蛋白包含有大量的分子内交联结构,这严重降低了固体丝素材料的韧性。羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料的脆性问题将限制该材料在承载部位的应用。

为了降低复合材料的脆性,本研究尝试采用交联剂PGDE对丝素蛋白进行改性,减少复合材料内部的内交联结构,并构建纳米羟基磷灰石分布其中的网状结构,从而提高材料的力学性能。

1 实验部分

实验所采用的交联剂是聚乙二醇二缩水甘油醚(Poly(ethylene

glycol)diglycidyl ether,PGDE,ALDRICH公司),它的分子上具有两个醚环,可以和羧基、氨基及羟基发生反应。通过醚环与丝素蛋白上的氨基、羧基的反应,可以得到具有交联结构的丝素蛋白凝胶,也可以通过醚环与羟基的反应,加强丝素蛋白与羟基磷灰石粒子的结合。

复合材料通过原位生成的方式进行复合,可以提高羟基磷灰石与丝素蛋白的分散的均匀性。采用CaCl 2和(NH 4)2HPO 4为生成纳米羟基磷灰石的反应物,氨水为催化剂。预先制得一定浓度的丝素蛋白水溶液:首先,剪碎蚕茧,并在0.5%Na 2CO 3水溶液中煮三次,每次30分钟,以去除丝胶;然后,将上述所得丝素蛋白纤维低温烘干,在摩尔比nCaCl 2:nCH 3CH 2OH:nH 2O=1:2:8的三元混合溶液中溶解,温度为70~80℃,并过滤去杂质;第三,将混合溶液装入分子截留量为10万的透析袋中,在去离子水中透析三天,充分去除离子。然后将CaCl 2水溶液(1mol/L)加入到丝素溶液中,搅拌10min,缓慢滴加(NH 4)2HPO 4水溶液(0.5mol/L)进行反应,同时用氨水调节pH值在10~11之间。(NH 4)2HPO 4水溶液滴加完后,继续搅拌混合物2h,然后加入定量的PGDE,并60℃水浴加热反应5h。老化三天后,用去离子水洗涤沉淀物,60℃烘干。HA与SF的理论比值设为70/30,这一值接近骨组织中矿物质与有机质的比值。PGDE的用量为丝素蛋白质量的2.5/7,在这个比值交联改性效果最好。

在制备过程中,pH值由PHS-3C型pH计(上海精密仪器有限公司)精确控制。样品的微观结构及相结构分别由HITACHI H-700H

透射电镜和荷兰X’Pert Pro MPD型X射线衍射仪检测完成。复合材料的失重、放热曲线等由德国Netzsch STA 449C热分析仪检测完成。复合材料中丝素蛋白的构想由Nicolet-5700红外光谱仪检测完成。

2 结果与讨论

通过透射电镜对复合材料的颗粒形貌进行了检测。不含PGDE 的复合物颗粒呈现各种形貌,有些是棒状,长100nm,直径30nm左右,有些是一些小颗粒团聚在一起。而含有交联剂的复合物颗粒都呈针状形貌,长度60~100nm,直径5~20nm。这显示出交联改性的丝素蛋白拥有更强的引导羟基磷灰石针状生长的能力。通过X射线衍射仪对符合无进行了检测。复合物的衍射主峰均与纯HA相吻合,丝素蛋白的在20.25°特征峰在复合物中出现,其中含有交联剂的复合物的该峰稍尖锐。这显示出交联剂不会影响HA的形成,但会稍有提高丝素蛋白的结晶性。

交联剂P GD E 对复合材料生物相容性的影响通过模拟体液(SBF)浸泡及细胞毒性实验进行考察。SBF浸泡7天样品上,加交联剂与不加交联剂的样品表面均覆盖了大量的针状磷灰石,长度200nm 左右,直径20~30nm,堆积成多孔形貌。初步表明两种复合物具有相似的表面钙磷沉积性能,交联剂的加入不会明显导致复合材料生物相容性降低。细胞毒性实验正在进行之中。

3 结语

在纳米羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料中,加入交联剂PGDE

对丝素蛋白进行改性,可以显著提高该复合材料的力学性能。PGDE 的引入,改变了复合材料颗粒的形貌,促进了针状纳米羟基磷灰石的形成,提高了复合材料中丝素蛋白的结晶性,复合材料的韧性也得到了一定程度的改善。通过合理的工艺处理,多余的交联剂不会残留在复合材料中,因而对复合材料的生物相容性没有明显的负面影响。PGDE交联改性之后的纳米羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料能较好的满足承载部位骨填充的需求。参考文献

[1]Gregory H. Altman, Frank Diaz, Caroline Jakuba, etc., Silk-based biomaterials, Biomaterials 24 2003:401-416.

[2]TenHuisen, K. S., Martin, R. I., Klimkiewicz, M. and Brown, P.W., Formation and properties of a synthetic bone composite:hydroxyapatite-collagen. J. Biomed. Mater.

PGDE 交联纳米羟基磷灰石/丝素蛋白复合材料

姜法兴1 张美丽2 王秀红2 翁杰2

(1.纳诺科技有限公司 浙江绍兴 312000;

2.材料先进技术教育部重点实验室西南交通大学材料科学与工程学院 四川成都 610031)

摘要:由纳米羟基磷灰石(HA)与丝素蛋白(SF)复合而成的新型生物复合材料,具有优良的生物相容性,已被研究用作骨移植及填充材料,但其由丝素蛋白分子内交联导致的较差的力学性能,限制了该复合材料的应用。本研究中,采用一种名为聚乙二醇二缩水甘油醚(PGDE)的交联剂对复合材料中的丝素蛋白进行改性。该改性的复合材料经过一系列的检测,结果显示交联剂PGDE可以提高丝素蛋白的结晶性,复合材料HA/SF的抗压强度提高了100%,且该交联剂并没有影响复合材料的生物相容性。

关键词:丝素蛋白 改性 网状结构 羟基磷灰石 韧性中图分类号:TQ936.2文献标识码:A 文章编号:1674-2060(2015)03-0174-01

基金来源:教育部高等学校创新工程重大项目培育基金项目(704039)。

作者简介:姜法兴(1983—),男,浙江江山人,硕士,工程师,主要从事纳米复合材料的研究。

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