羥基磷灰石／柞蠶絲素核殼結構納米纖維的制備及表征

邵偉力，何建新，崔世忠

（中原工學院 紡織學院，河南 鄭州 450007）

絲素 （SF）來源豐富，價格低廉，無毒，具有良好的生物相容性及一定的降解性，是近年來生物醫用材料領域的研究熱點之一[1－3].目前，關于絲蛋白靜電紡的研究都是基于桑蠶絲的，國內尚未發現采用以水為溶劑并以柞蠶絲素為原料進行靜電紡絲研究的相關報道.絲素屬于高分子重鏈結構蛋白，桑蠶絲的肽鏈中主要是以甘丙甘序列為主，柞蠶絲素的肽鏈是以丙丙序列為主[4]，但是柞蠶絲含有特殊的精氨酸－甘氨酸－天門冬氨酸（RGD）三肽序列，文獻[5]的研究顯示柞蠶絲中這種氨基酸組成和序列有助于細胞黏附，而且含有一定量的帶正電荷的氨基酸，柞蠶絲素蛋白對細胞的親和性比桑蠶絲素更強，其在組織工程支架方面的應用具有相當大的潛能.

靜電紡技術是迄今唯一能夠獲得連續納米纖維并可以工業化生產的有效方法，靜電紡絲素納米纖維表現出優異的生物學性能[6－7].天然骨是由膠原I和羥基磷灰石（HAP）構成的有機／無機生物納米復合材料.基于單一材料缺乏表面特性、降解速率難以保持等缺點，本文選用生物相容性、生物降解性和細胞黏附性良好的柞蠶絲素蛋白（TSF）和HAP進行同軸靜電紡絲，制備了核殼結構納米纖維，其結構與骨極為相似，將成為骨組織工程支架潛在的應用材料.

1 試驗部分

1.1 材料

柞蠶繭，河南南陽；HAP，國藥集團；截留相對分子質量為8 000～1 4000的透析袋，上海賀寶化工有限公司；所用試劑均為分析純，國藥集團.

1.2 柞蠶絲素水溶液的制備

將柞蠶繭與質量分數為0.7%的碳酸鈉溶液98℃處理30min，浴比為1∶30，重復脫膠3次去除絲膠.脫膠的蠶繭與濃度為9mol／L的LiSCN 55℃超聲1h，浴比為1∶35，溶解后的柞蠶絲絲素粗溶液利用透析袋透析，自來水透析2d，蒸餾水透析1 d，得到質量分數為0.8%左右的柞蠶絲素水溶液，最后室溫下鼓風濃縮得到質量分數為31%的溶液.

1.3 納米HAP粒子的制備

將1.55g HAP置于5mL質量分數為0.04%的檸檬酸水溶液中，在磁力攪拌器上密封攪拌0.5h，制得納米HAP粒子，用于靜電紡絲.圖1所示為HAP粒子場發射掃描電鏡照片.所得的HAP粒子長寬約為150nm×50nm.

圖1 HAP顆粒的SEM圖Fig.1 SEM image of HAP particles

1.4 靜電紡絲

同軸擠出裝置如圖2所示.內針頭規格為7＃（直徑為0.70mm）、外針頭規格為13＃（直徑為1.30mm），將質量分數為31%的再生柞蠶絲素水溶液置于上方的紡絲管中，HAP溶液置于下方的紡絲管中，陽極夾至注射器針頭，陰極與收集網相接.紡絲電壓為20kV，噴絲口到收集網的距離為18cm，紡絲流量為0.3mL／h，采用鋁箔收集納米纖維.

圖2 同軸擠出裝置Fig.2 The coaxial extrusion device

1.5 掃描電鏡測試

采用JSM-6360型電子掃描顯微鏡觀察核殼結構納米纖維表面形貌.測試條件：恒溫（20±2）℃，相對濕度（65±5）%，加速電壓為15kV，測試前樣品進行鍍金處理.

1.6 透射電鏡測試

在樣品制備的過程中用超純水反復沖洗核殼結構納米纖維膜，洗去殘留的鹽.為了防止纖維在強電子束作用下發生晃動，用兩片空的銅網將要觀測的纖維樣品夾持固定，再用G2 20s-twin型高分辨透射電子顯微鏡觀察纖維結構形貌.

1.7 紅外光譜

采用尼高力NEXUS 670型紅外－拉曼光譜儀，測定純TSF納米纖維以及不同質量比的HAP／TSF靜電紡核殼結構納米纖維的傅里葉紅外光譜，分辨率為2cm－1，每個樣品掃描100次.制備5.0 mg干燥纖維粉末和200mg KBr混合壓片以用于紅外光譜測試.

1.8 X射線衍射測試

纖維樣品剪成粉末，采用 D／max-2550PC 18 kW型轉靶X射線衍射儀在穩定條件下進行測定.測試條件：Ni濾波，Cu靶 Kα射線，管電壓為40kV，管電流為40mA，掃描速度為2°／min，掃描范圍為5°～45°.

2 結果與討論

增加，但是隨著HAP與TSF質量比的變化增加不明顯，如HAP／TSF質量比由1∶2增加到1∶1和2∶1時，核殼結構納米纖維直徑僅從867.39nm增加到892.44和949.67nm，因而核殼結構納米纖維與純的TSF靜電紡納米纖維相比直徑有顯著增加，但HAP含量對核殼結構納米纖維直徑影響不大.隨著HAP含量的變化，核殼結構納米纖維直徑CV值保持在0.2左右，因此，HAP含量對纖維直徑CV值影響也不顯著.由圖3可知，不同質量比HAP／TSF納米纖維均呈現一些粗節，主要是由于在靜電紡絲過程中，有少量的HAP團聚，但對粗節數量的影響不大，這主要是因為在所紡質量比范圍內皮層TSF能夠很好地包覆芯層HAP.

圖3 純TSF及不同質量比的HAP／TSF核殼結構 納米纖維掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

2.1 掃描電鏡

圖3和4分別為純TSF納米纖維以及不同質量比（mHAP∶mTSF）的HAP／TSF靜電紡核殼結構納米纖維的掃描電鏡圖及納米纖維直徑分布圖.由圖3和4可知，純的TSF靜電紡納米纖維形貌為稍扁柱狀，纖維直徑為300～500nm，直徑分布較為均勻.添加HAP制備不同質量比的納米纖維，與純的TSF靜電紡納米纖維相比，核殼結構納米纖維直徑顯著增加，由400nm直接增加到900nm左右，形貌呈現稍扁平狀.在所紡的質量比范圍內，作為芯層的HAP含量的增加會導致核殼結構納米纖維直徑的

圖4 純TSF與不同質量比的HAP／TSF核殼結構納米纖維直徑分布圖Fig.4 The diameter distribution of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

圖5 不同質量比的HAP／TSF核殼結構納米纖維透射電鏡圖Fig.5 TEM images of HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

2.2 透射電鏡

不同質量比的HAP／TSF靜電紡納米纖維的透射電鏡圖如圖5所示.由圖5可知，核殼結構納米纖維呈現了明顯的皮芯結構，有機的TSF顯示為皮層，無機的HAP顯示為芯層.隨著mHAP：mTSF的逐漸減小，皮層的厚度逐漸增加，芯層的厚度逐漸減小.在所紡的質量比范圍內，皮層TSF能夠很好地包覆芯層HAP.天然骨為有機和無機的納米復合材料，無機的主要成分為HAP，有機的主要成分為膠原蛋白，本文制備了有機／無機相核殼結構納米纖維，與天然骨極其相似，為制備用于生物組織工程支架方面的絲素蛋白復合材料提供了參考.

2.3 紅外光譜分析

如圖6所示為純的TSF納米纖維以及不同質量比的HAP／TSF靜電紡納米纖維的紅外光譜圖.由圖6（a）可知，純的TSF納米纖維在3 300cm－1處出現了羥基的吸收峰，在965cm－1處出現了較強的歸屬于丙丙肽鏈結構的特征吸收峰.酰胺Ⅰ的特征峰出現在1 650cm－1，這是歸屬于α－螺旋結構的特征吸收峰.酰胺Ⅱ譜帶（1 600～1 480cm－1）歸屬于—C—N伸縮和—N—H變形的協同運動，1 240 cm－1處為酰胺Ⅲ吸收區域，顯示的均是β－折疊結構的特征吸收峰，但波峰較弱，由此可見，β－折疊結構含量較少.

添加HAP后，兩種質量比的HAP／TSF納米纖維在波數為1 650，1 240，1 540cm－1處依然出現了分別歸屬于α－螺旋、β－折疊和無規卷曲結構的特征吸收峰，說明添加HAP對核殼結構納米纖維構象影響不明顯.在波數為1 093cm－1處出現了新的屬于HAP中PO3－4的吸收峰，這說明所制備的核殼結構纖維中確實含有HAP.

圖6 純TSF以及不同質量比的HAP／TSF 核殼結構納米纖維紅外光譜圖Fig.6 IR spectroscopy curves of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

2.4 X衍射分析

如圖7所示為純的TSF納米纖維以及不同質量比的HAP／TSF靜電紡納米纖維的X衍射圖.由圖7可知，純的TSF納米纖維薄膜在2θ＝12.06°，23.50°出現了兩個衍射峰.文獻[8]研究發現，絲素Ⅰ的衍射峰主要出現在 2θ＝11.50°，12.20°，22.50°，23.50°，24.02°附近，絲素Ⅱ的衍射峰主要出現 在 2θ＝16.40°，16.71°，20.34°，30.90°，44.12°附近.因此，在2θ＝12.06°，23.50°處為絲素Ⅰ的特征峰，說明純TSF納米纖維中絲素的構象由α－螺旋為主和無規卷曲結構共同組成的.HAP／TSF核殼結構納米纖維的兩個主要的衍射峰也出現在2θ＝12.06°，23.50°附近，說明添加 HAP對TSF納米纖維的結晶結構的影響不大，仍然由α－螺旋為主和無規卷曲結構共同組成，不過隨著HAP／TSF質量比的增加，核殼結構納米纖維膜的兩個主要衍射峰的峰高有所降低.在2θ＝31.28°，33.64°，53.02°處分別出現了屬于HAP的211，300，004晶面的衍射峰，表明核殼結構纖維中確實含有HAP，且隨著mHAP∶mTSF的增加，屬于HAP的衍射峰峰值均有所提高，表明核殼結構納米纖維中HAP含量也增大，這是因為芯層HAP能夠被皮層TSF很好地包埋.由此可見，X衍射分析結果與紅外光譜分析結果一致.

圖7 純TSF以及不同質量比的HAP／TSF 核殼結構納米纖維X衍射圖Fig.7 X-diffraction curves of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

3 結 語

本文利用柞蠶絲素水溶液，通過靜電紡絲裝置，制備出具有核殼結構的HAP／TSF同軸共紡納米纖維.在所紡的質量比范圍內，TSF出現絲素Ⅰ的晶型，核殼結構納米纖維觀察到歸屬于HAP的衍射峰.核殼結構納米纖維呈現明顯的皮芯結構，而且皮層TSF能夠很好地包覆芯層HAP.核殼結構納米纖維與天然骨的成分非常相似，而且均屬于納米級的.本文制備的核殼結構納米纖維為模擬動物骨骼這類無機／有機納米復合材料，以及進一步實行骨修復的動物或臨床試驗等提供基礎.

參 考 文 獻

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