专利名称：一种丝素蛋白多孔结构材料的制备方法
技术领域：
本发明为制备具有良好生物相容性的丝素蛋白多孔结构材料的新方法，涉及生物材料。
背景技术：
早在1934年Formhals就设计了第一套利用聚合物溶液在强电场下的喷射、进行纺丝加工的装置，近年来，由于其能够有效地制备直径在数十纳米到数微米的纤维而引起了人们广泛的关注。在静电纺丝过程中，在聚合物溶液或熔体上加上几千至几万伏的高压电，聚合物溶液或熔体在喷孔处形成Talyor锥，当高压电场产生的电场拉伸力达到一定值，足以克服液滴表面的表面张力后，液滴上便会喷射出带电的聚合物溶液或熔体射流，然后该射流在电场中得到进一步拉伸，聚合物溶液射流的溶剂快速挥发或熔体快速凝固，最后被收集到接收器上，形成非织造布状的纤维毡或其它形状的纤维结构物。由于静电纺丝的产物有一些诸如特殊表面积大、孔隙率高等有用的性质，因此可以用于过滤材料，伤口包覆以及组织工程支架等方面。
丝素蛋白是蚕丝纤维中的组分之一，作为天然生物蛋白，除了具有优异的机械性能之外，还具有良好的生物相容性，低炎症反应性和良好的机械及物理化学性能，近年来受到生物材料界广泛的研究。在人造皮肤，人造韧带，人造骨，人造血管方面有良好的应用前景，并可作为药物缓释材料，酶固定化材料等。在组织工程中，其优异的细胞生长性和缓慢降解性也使其具有广泛的应用前景。
组织工程学是利用工程学和生命科学的原理和方法研究生物有机体的组织器官或其功能替代物的新兴交叉学科。它集生物工程、生命科学、材料科学与工程及临床医学于一体，目的是修复和再生受损组织或器官，帮助病人恢复受损组织的功能，提高生活质量。1987年，美国自然科学基金工程理事会在研讨生物工程前景时提出了组织工程学的定义，即“应用工程学和生命学的原理和方法来了解正常的和病理的哺乳类动物的组织结构-功能的关系，并研制生物组织代用品，用于修复、维持和改善人体组织的功能”。组织工程的基本原理和方法是将体外培养的高浓度组织细胞扩增后吸附于一种生物相容性良好并可被人体逐步降解吸收的细胞外基质(ECM)材料上，形成细胞-生物材料复合物。由于该材料可为细胞提供生存的三维空间，因此有利于细胞获得足够的营养物质、进行新陈代谢并使细胞按预制形态的三维支架生长。将这种复合体植入机体所需部位后，种植的细胞在支架材料的降解吸收过程中继续增生繁殖，形成了新的具有原来特殊功能和形态的相应组织和器官，从而可达到修复组织外形和功能重建的目的。
已经证实基于丝素蛋白的支架可能会在修复和再生组织方面有广泛的应用。而静电纺丝无纺布由于具有利于高密度细胞和组织培养的特殊表面积大以及居有多孔的三维结构，因而是最有希望应用于各类组织工程的材料形式之一，实验证明，与丝素蛋白膜相比，丝素蛋白纤维基体更能够促进细胞的粘附。当前，已经以六氟异丙醇、六氟丙酮、甲酸为溶剂或将丝素蛋白与聚乙烯醇共混制得了丝素无纺布。
在现有的静电纺丝丝素蛋白方法中，用有机溶剂进行静电纺丝可能造成溶剂残留，残留的溶剂有细胞毒作用，可能会引起的纤维化及与周围组织的免疫反应；而将丝素蛋白与其它聚合物共混进行静电纺丝还需要把产物中的聚合物成分去除掉，操作繁琐。为了避免有机溶剂残留的问题以及简化加工成型过程，我们研究了在适宜的条件下直接将丝素蛋白水溶液静电纺丝制备丝素蛋白多孔材料，并获得了成功。
发明内容
本发明的目的是为了克服通常静电纺丝丝素蛋白制备过程中有机溶剂残留降低材料生物相容性以及操作繁琐的缺点，用水作为静电纺丝的溶剂，制备生物相容性良好的丝素蛋白多孔结构材料。
本发明的技术方案是将丝素溶液蛋白水溶液搅拌，使之在低于100℃浓缩至1-600mg/ml的高浓度透明丝素蛋白水溶液，将溶液在10-100℃、接收距离1-100cm、电压50V-60KV下静电纺丝制得丝素蛋白多孔结构材料。利用不同的接收装置以获得丝素蛋白无纺布、丝素蛋白多孔壁管以及纤维等材料。
本发明的具体实现是将蚕丝在0.5％的Na2CO3溶液中100℃下煮60min以除去蚕丝外部的丝胶蛋白，将脱胶后的丝素蛋白用蒸馏水多次洗涤后干燥，获得纯的丝素蛋白。将一定量的丝素蛋白溶于CaCl2/H2O/CH3CH2OH(摩尔比1∶8∶2)三元溶液或其它浓盐溶液中，在水中透析三天以除去溶液中的氯化钙和乙醇，过滤溶液从而得到纯净的丝素蛋白水溶液。将此水溶液经搅拌，在低于100℃的范围内对此溶液进行浓缩，获得浓度为1-600mg/ml的透明高浓度丝素蛋白水溶液，搅拌的目的是防止丝素溶液在浓缩过程中凝固。将此高浓度的透明溶液倒入注射器，在注射器针头处加上50V-60KV的电压，在0-100℃、接收距离1-100cm下静电纺丝，用极板、金属棒材接收、在针头与接收装置之间添加改变电场强度和形状的附件，用绝缘体框架往复穿过射流以及高速旋转的金属棒或有尖锐边缘的圆盘以及金属框架接收，制得具有良好生物相容性的丝素蛋白无纺布、管壁多孔的丝素蛋白管材以及取向的丝素蛋白纤维。
制备出的丝素多孔结构材料用扫描电子显微镜观察了其微观形貌，并用傅立叶变换红外光谱，X射线衍射，以及差示扫描量热法来测定材料中丝素蛋白的结构。测试结果表明材料中丝素蛋白主要为无规线团结构，干态拉伸强度不小于0.8MPa，断裂伸长率大于0.8％，用甲醇进行后处理后silk II结构增加，材料不溶于水，干态拉伸强度大于1.5MPa，断裂伸长率不小于1.6％。
本发明的优点是用水作为静电纺丝丝素蛋白溶剂可以保持丝素蛋白良好的生物相容性，安全性高，同时简化了制备过程。故本发明对丝素蛋白多孔结构材料在生物医学上的应用具有重大意义和实用价值。
具体实施例方式
实施例实施例1将蚕丝在0.5％的Na2CO3溶液中100℃煮60min，以除去蚕丝外部的丝胶蛋白并将煮过的丝素蛋白用蒸馏水仔细洗涤后干燥，获得纯的丝素蛋白。将1克丝素蛋白溶于10毫升的CaCl2/水/乙醇(摩尔比1∶8∶2)三元溶液中，将此丝素溶液在透析带袋中透析三天，除去溶液中的氯化钙和乙醇，从而得到透明的丝素溶液。将溶液倒入烧杯，在低于100℃水浴加热情况下，用搅拌器轻微搅拌，挥发浓缩。将溶液浓缩至1mg/ml，为透明溶液。随后将此浓溶液倒入注射器，在注射器针头处加上50V电压，在10℃下、接收距离1cm，用极板接收可得丝素蛋白无纺布，其厚度可以通过纺丝时间控制。
实施例2制备纯的丝素蛋白水溶液如实施例1所示。
将溶液倒入烧杯，在低于100℃水浴加热情况下，用搅拌器轻微搅拌，挥发浓缩。将溶液浓缩至1mg/ml，为透明溶液。随后将此浓溶液倒入注射器，在注射器针头处加上500V电压，在10℃下、接收距离1cm，用不同直径的金属棒材接收可得具有多孔管壁的丝素蛋白管材，管壁厚度可以通过纺丝时间控制。
实施例3制备纯的丝素蛋白水溶液如实施例1所示。
将溶液倒入烧杯，在低于100℃水浴加热情况下，用搅拌器轻微搅拌，挥发浓缩。将溶液浓缩至200mg/ml，为透明溶液。随后将此浓溶液倒入注射器，在注射器针头处加上20KV电压，在20℃下、接收距离1cm，用高速旋转的金属棒、有尖锐边缘的圆盘或金属框架接收可得具有取向性的丝素蛋白纤维。
实施例4制备纯的丝素蛋白水溶液如实施例1所示。
将溶液倒入烧杯，在低于100℃水浴加热情况下，用搅拌器轻微搅拌，挥发浓缩。将溶液浓缩至300mg/ml，为透明溶液。随后将此浓溶液倒入注射器，在注射器针头处加上30V电压，在30℃下、接收距离1cm，在针头与接收装置之间添加改变电场强度和形状的附件，并用绝缘体框架往复穿过射流可以得到取向的丝素蛋白纤维。
实施例5制备纯的丝素蛋白水溶液如实施例1所示。
将溶液倒入烧杯，在低于100℃水浴加热情况下，用搅拌器轻微搅拌，挥发浓缩。将溶液浓缩至600mg/ml，为透明溶液。随后将此浓溶液倒入注射器，在注射器针头处加上60KV电压，在100℃下、接收距离100cm，用极板接收可得丝素蛋白无纺布，其厚度可以通过纺丝时间控制。
实施例6制备纯的丝素蛋白水溶液如实施例1所示。
将溶液倒入烧杯，在低于100℃水浴加热情况下，用搅拌器轻微搅拌，挥发浓缩。将溶液浓缩至500mg/ml，为透明溶液。随后将此浓溶液倒入注射器，在注射器针头处加上50KV电压，在100℃下、接收距离90cm，用不同直径的金属棒材接收可得具有多孔管壁的丝素蛋白管材，管壁厚度可以通过纺丝时间控制。
实施例7制备纯的丝素蛋白水溶液如实施例1所示。
将溶液倒入烧杯，在低于100℃水浴加热情况下，用搅拌器轻微搅拌，挥发浓缩。将溶液浓缩至400mg/ml，为透明溶液。随后将此浓溶液倒入注射器，在注射器针头处加上40KV电压，在50℃下、接收距离60cm，用高速旋转的金属棒、有尖锐边缘的圆盘或金属框架接收可得具有取向性的丝素蛋白纤维。
实施例8制备纯的丝素蛋白水溶液如实施例1所示。
将溶液倒入烧杯，在低于100℃水浴加热情况下，用搅拌器轻微搅拌，挥发浓缩。将溶液浓缩至400mg/ml，为透明溶液。随后将此浓溶液倒入注射器，在注射器针头处加上30KV电压，在25℃下、接收距离50cm，在针头与接收装置之间添加改变电场强度和形状的附件，并用绝缘体框架往复穿过射流可以得到取向的丝素蛋白纤维。
实施例9制备丝素蛋白材料如实施例1-8所示。
将所得到的丝素蛋白材料用等离子体进行表面处理，进一步改善细胞的生长性。
权利要求
1.一种丝素蛋白多孔结构材料的制备方法，其特征在于将丝素溶液蛋白水溶液搅拌，使之在低于100℃浓缩至1-600mg/ml的高浓度透明丝素蛋白水溶液，将溶液在10-100℃、接收距离1-100cm、电压50V-60KV下静电纺丝制得丝素蛋白多孔结构材料，用不同的接收装置获得丝素蛋白无纺布、丝素蛋白多孔壁管以及纤维材料。
2.如权利要求1所述的一种丝素蛋白多孔结构材料的制备方法，其特征在于接收装置可用极板、金属棒材接收、在针头与接收装置之间添加改变电场强度和形状的附件，用绝缘体框架往复穿过射流以及高速旋转的金属棒或有尖锐边缘的圆盘以及金属框架接收。
全文摘要
一种丝素蛋白多孔结构材料的制备方法，涉及生物高分子材料。选用CaCl
文档编号D01D5/00GK1844509SQ20061007567
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月18日 优先权日2006年4月18日
发明者曹传宝, 陈辰, 马西兰 申请人:北京理工大学