基于再生丝素蛋白/壳聚糖的三维多孔共混组织工程支架材料的制备

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上个世纪以来,随着组织工程学的快速发展,人们在受伤组织的修复和再生领域的研究中取得了长足进步。尤其是在近期,随着可降解支架材料在组织工程领域的应用,一系列有着优异生物学性能的支架材料为细胞的粘附、增殖以及分化提供了很好的模板,大量涌现的生物相容性材料为现代医学对于受伤组织的治疗提供了组织工程新方案。与此同时,再生丝素蛋白材料(RSF)以及壳聚糖材料(CS)在生物医药方面的应用研究在如火如荼地开展。其不仅涉及单一材料的制备、改进和应用等,更将两种材料的优势通过共混的方式进行了结合。众所周知,天然来源的丝素蛋白具有良好的生物相容性,并且一定方法制得的的再生丝素蛋白材料具有优良的力学性能;而天然来源的壳聚糖具则具有强大的吸水保湿功能,有利于伤口的修复,还具备一定的抗菌抑菌的作用。如果能将二者进行有效的混合,所制备的支架材料应该具备值得期待的应用前景。但是,由于两种材料各具不同的特点,实现二者较好的共混始终是一个难题。虽然已有极少数的课题组实现了在多肽意义上的丝素蛋白(指分子量较小的丝素蛋白片段,其不仅会影响到材料本身的力学性能,也将影响材料的降解速度)与壳聚糖的共混,但是由于高分子量的丝素蛋白分子很容易在醋酸溶解的壳聚糖溶液当中发生构象转变而变性,因此真正将材料意义上的丝素蛋白(指高分子量的丝素蛋白)与壳聚糖进行混合的工作仍未见报道。为了解决这个难题,实现高分子量的再生丝素蛋白溶液与壳聚糖溶液的共混,进而在提高所制备材料的吸水保湿性的同时保证所制备材料的力学性能,本文采用了溴化锂-水溶丝体系来溶解丝素蛋白,尽量降低丝素蛋白分子的降解,同时还将溶解壳聚糖的醋酸浓度减小到了比所有报道浓度更低的水平,以防止混合过程中的丝素蛋白分子的过快变性。此外,通过改进已有的冷冻制备纯丝素蛋白支架材料及其冷冻干燥的方法,创造性地采用了低温乙醇处理的手段,在诱导丝素蛋白分子构象转变的同时将冰晶溶出,使材料形成内部多孔状的结构且不溶于水,不仅节约了材料的制备时间,而且提高了材料的吸水性能。通过一系列的表征手段,证明了本方法可以实现丝素蛋和壳聚糖有效的混合,制备的共混支架材料不仅具备了较好的力学性能,并且在SEM的断面图上没有出现宏观的组分间相分离,同时XRD和FTIR图谱中相关特征峰的变化也充分地证实了两种组分的分子链间存在着较强的相互作用。我们不仅可以通过调节共混溶液当中某种组分的浓度来调节所获得的材料内部孔径的大小,还可以通过调节冷冻温度以实现对孔径大小的控制。吸水实验不仅证明通过低温乙醇过程制备的共混支架材料比纯的再生丝素蛋白材料具有更高更快的吸水能力,而且显示出所得的支架材料比以前报道的正丁醇致孔的材料具有更好的亲水能力。在生物学实验中,我们采用原代培养的猪软骨细胞来验证所制备的丝素蛋白/壳聚糖多孔材料的细胞相容性。SEM和MTT法的结果表明,共混的支架材料表现出了比纯的再生丝素蛋白材料更好的细胞粘附性,能够支持软骨细胞更多更好地生长;另一方面,共混的支架材料可以支持软骨细胞分泌更多的粘多糖(GAGs)和Ⅱ-型胶原,使生长在它上面的细胞具备更好的生物活性,其可以被多种实验手段如苏木精-伊红染色法(HE)、甲苯胺蓝染色(TB)和反转录聚合酶联链式反应(RT-PCR)所印证。综上所述,通过方法学上的改进,我们制备了一种孔径大小可调的共混多孔支架材料,这种材料不仅实现了真正意义上的高分子量再生丝素蛋白与壳聚糖的均匀共混,而且具备了优异吸水保湿性能的多孔材料还可以很好地支持软骨细胞的生长,具备出色的生物学性能。可以预期,利用低温乙醇处理的方法简便地制备所需形状的丝素蛋白/壳聚糖支架材料能够实现一定的生物医学功能,从而为组织工程学的深入研究和应用提供更多的选择。我们相信,随着相关技术的进一步完善,这种新型的组织工程材料必将进一步展示其更好的应用前景。
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