一种丝素蛋白纳米纤维及其制备方法和应用与流程

本发明涉及高分子生物医用材料技术领域，具体涉及一种丝素蛋白纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

研制能够有效促进组织再生的生物材料支架是组织工程和再生医学的迫切需要。天然的细胞外基质结构是我们设计组织工程支架的最佳模板。天然的细胞外基质由大量的胶原、弹性蛋白等纤维蛋白组装而成，在尺度上具有丰富的微纳米纤维结构，为细胞粘附和迁移提供物理支持和引导信号。从仿生的角度来说，用于组织修复的生物材料支架材料，内部构建合适的微纳米纤维拓扑结构，能够有效调控细胞行为，促进细胞粘附、生长和增殖，引导细胞迁移，从而促进组织再生。因此，高分子材料的纳米纤维化及其在组织工程支架中的应用对于促进支架材料的功能化具有重要的意义。

蚕丝丝素蛋白是由蚕绢丝腺的内皮细胞分泌的高纯度蛋白质，其生物相容性良好、免疫原性低、力学性能优良、可降解成为多肽和游离氨基酸被机体吸收和代谢，是组织工程支架的理想原料。目前，国内外已经就家蚕丝素作为组织工程支架开展了广泛的研究，包括相分离、盐沥、冷冻干燥在内的等多种技术已经用于制备丝素蛋白多孔支架。然而，通过以上方法获得的多孔支架，其内部缺乏促进和引导细胞生长微纳米纤维引导信号。目前丝素蛋白纳米纤维化的方法主要有静电纺丝和诱导自组装。丝素蛋白的静电纺丝通常需要使用有机溶剂，降低了材料的生物相容性，而且静电纺丝制备的丝素蛋白纳米纤维也难以制备具有合适孔结构的三维多孔支架。丝素蛋白也可以通过自组装形成纳米纤维。中国授权公告号为CN 102008756 B的发明专利提出，预先使家蚕丝素胶原的混合溶液缓慢自组装形成纳米纤维结构，然后制备孔壁含纳米纤维结构的多孔材料。中国专利公开号CN 102357264 A的发明专利提出，将丝素蛋白溶液重复干燥-溶解，缓慢自组装成纳米纤维，然后用于制备孔壁具有纳米纤维结构的多孔材料。但这些丝素蛋白自组装的方法，自组装过程缓慢、工艺复杂，而且获得纳米纤维尺寸较短、不能形成类似细胞外基质的纳米纤维网络结构。

为了克服现有技术中的上述问题，本发明人设计了一种新型的丝素蛋白纳米纤维化的方法，促进丝素蛋白作为组织工程支架的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种丝素蛋白纳米纤维及其制备方法和应用，通过冻融的方法重构丝素蛋白二级结构，结合冷冻干燥技术，能够有效地诱导丝素蛋白的纳米纤维化，工艺过程简单、有效、易控。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种丝素蛋白纳米纤维化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.取纯化的丝素蛋白溶液，将其质量浓度调整为0.1-5%；

S2.将纯化的丝素蛋白溶液在-10~0 ℃进行冷冻处理2~24h，得到丝素蛋白冷冻体；

S3.将丝素蛋白冷冻体在室温下融化解冻，离心去除不溶物，得到重构的丝素蛋白溶液；

S4.将重构的丝素蛋白溶液稀释到质量浓度为0.01-0.5%，在25-37℃下静置4-12h，然后置于液氮中冷冻成固体，然后将固体做冷冻干燥处理，得到纳米纤维化的丝素蛋白。

进一步地，所述丝素蛋白为家蚕丝素蛋白。

进一步地，所述冷冻处理是在-4℃下冷冻24h。

进一步地，所述步骤S3中离心是以5000-15000r/min的转速离心3-10min。

进一步地，所述步骤S4中冷冻干燥处理时间为24h。

一种丝素蛋白纳米纤维，由上述方法制备而成。

进一步地，其直径为10-200nm。

一种纳米纤维化的多孔支架，所述支架具有孔结构或者通道结构，且孔结构或者通道结构内填充有上述的丝素蛋白纳米纤维。

进一步地，所述填充的具体方法为：

S1.取纯化的丝素蛋白溶液，将其质量浓度调整为0.1-5%；

S2.将纯化的丝素蛋白溶液在-10~0 ℃进行冷冻处理2~24h，得到丝素蛋白冷冻体；

S3.将丝素蛋白冷冻体在室温下融化解冻，离心去除不溶物，得到重构的丝素蛋白溶液；

S4.将重构的丝素蛋白溶液质量浓度稀释到0.01-0.4%，灌注到支架材料中，在25-37℃下静置4-12h，然后置于液氮中冷冻成固体，然后将固体冷冻干燥，得到纳米纤维化的多孔支架；所述支架材料为具有孔结构或者通道结构的支架材料。

本发明的原理是：丝素蛋白在冻融过程中，二级结构向亚稳态结构转变形成重构的丝素蛋白；重构的丝素蛋白溶液在低温条件下能够保持结构稳定，在稀释到0.01-0.5%后，在25℃以上时容易发生结构转变，形成β-折叠化的丝素蛋白；在液氮快速冷冻下能够有效地组装成分散的纳米纤维结构；同时，本发明所提供丝素丝素蛋白纳米纤维化的应用，通过将稀释的重构的丝素蛋白溶液灌注具有多孔或者管状通道结构的空隙中，成功获得了支架内的纳米纤维化，有效促进了支架的生物功能性。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过冻融的方法重构丝素蛋白二级结构，结合冷冻干燥技术，能够有效地诱导丝素蛋白的纳米纤维化，工艺过程简单、有效、易控；

（2）本发明的制备过程都是在低于生理环境温度、水环境下完成，因此制备过程绿色、温和，不会降低材料的生物相容性；

（3）本发明使用的丝素蛋白溶液浓度低，因此粘度较低，容易灌注到不同的多孔支架的孔隙和管状材料的通道内，实现支架内的纳米纤维化。

附图说明

图1为实施例1中制备的丝素蛋白纳米纤维的10微米扫描电镜图片；

图2为实施例1中制备的丝素蛋白纳米纤维的1微米扫描电镜图片；

图3为实施例4中制备的纳米纤维化的丝素蛋白多孔支架的500微米扫描电镜图片。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

将50 g家蚕生丝浸入2.5 L的0.05%NaCO₃溶液中，于98-100℃下煮沸处理30 min，重复3次，使蚕丝脱胶，充分洗涤干燥后得到纯丝素纤维；将丝素纤维加入到9.3 mol/L的LiBr溶液中，在60℃下搅拌溶解1小时得到丝素蛋白混合溶液；将所得到的丝素蛋白混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析3天，得到纯化的丝素蛋白溶液；

将丝素蛋白溶液的质量浓度调整到1%，在-7℃下冷冻24小时后在室温下融化，获得重构的丝素蛋白溶液；

将重构的丝素蛋白溶液以13000 r/min离心5 min，去除不溶物；

将上述重构的丝素蛋白溶液质量浓度稀释到0.1%，置于37℃，静置8小时；

将上述溶液置于液氮中，冷冻成固体；

将冷冻后的固体放入冷冻干燥机，经24小时冷冻干燥后得到丝素蛋白纳米纤维。

将实施例1制备过程中得到的丝素蛋白的纳米纤维进行扫描电镜观察，结果如图1和图2所示。

实施例2

将脱胶的丝素纤维加入到摩尔比1:2:8的CaCl₂/CH₃CH₂OH/H₂O三元溶液中，在70℃下搅拌溶解1小时得到丝素蛋白混合溶液；将所得到的丝素蛋白混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析3天，得到纯化的丝素蛋白溶液；

将丝素蛋白溶液的质量浓度调整到5%，在-10℃下冷冻24小时后在室温下融化，获得重构的丝素蛋白溶液；

将重构的丝素蛋白溶液以15000 r/min离心10 min，去除不溶物；

将上述重构的丝素蛋白溶液质量浓度稀释到0.01%，置于30℃，静置12小时；

将上述溶液置于液氮中，冷冻成固体；

将冷冻后的固体放入冷冻干燥机，经24小时冷冻干燥后得到丝素蛋白纳米纤维。

实施例3

将脱胶的丝素纤维加入到9 mol/L的LiBr溶液中，在60℃下搅拌溶解2小时得到丝素蛋白混合溶液；将所得到的丝素蛋白混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析3天，得到纯化的丝素蛋白溶液；

将丝素蛋白溶液的质量浓度调整到0.1%，在-4℃下冷冻24小时后在室温下融化，获得重构的丝素蛋白溶液；

将重构的丝素蛋白溶液以10000 r/min离心3 min，去除不溶物；

将上述重构的丝素蛋白溶液质量浓度稀释到0.5%，置于35℃，静置4小时；

将上述溶液置于液氮中，冷冻成固体；

将冷冻后的固体放入冷冻干燥机，经24小时冷冻干燥后得到丝素蛋白纳米纤维。

实施例4

将脱胶的丝素纤维加入到9.3 mol/L的LiBr溶液中，在60℃下搅拌溶解1小时得到丝素蛋白混合溶液；将所得到的丝素蛋白混合溶液装入透析袋中，用去离子水透析3天，得到纯化的丝素蛋白溶液；

将丝素蛋白溶液的质量浓度调整到1%，在-7℃下冷冻24小时后在室温下融化，获得重构的丝素蛋白溶液；

将重构的丝素蛋白溶液以13000 r/min离心5 min，去除不溶物；

将上述重构的丝素蛋白溶液质量浓度稀释到0.1%，按250 μL/cm³灌注到EDC交联的丝素蛋白多孔支架内，置于25℃，静止6小时；

将上述多孔支架置于液氮中冷冻，使灌注到内部的溶液冷冻成固体；

将冷冻后的支架放入冷冻干燥机，经24小时冷冻干燥后得到丝素蛋白纳米纤维化的丝素蛋白多孔支架。

将实施例4制备过程中得到的纳米纤维化的丝素蛋白支架进行扫描电镜观察，结果如图3所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。