静电纺丝素蛋白组织工程支架的增强改性研究进展

江楠楠，范苏娜，张耀鹏，邵惠丽，胡学超

(纤维材料改性国家重点实验室，东华大学材料科学与工程学院，上海 201620)

静电纺丝素蛋白组织工程支架的增强改性研究进展

江楠楠，范苏娜，张耀鹏*，邵惠丽，胡学超

(纤维材料改性国家重点实验室，东华大学材料科学与工程学院，上海 201620)

常规静电纺丝法制得的丝素蛋白纤维毡的力学性能较差，不能很好地满足人体对生物组织工程支架的要求。为了提高丝素蛋白组织工程支架的力学性能，对丝素蛋白纤维毡进行增强改性是目前研究的热点。文章简要介绍了丝素蛋白的结构和性能及其在组织工程领域的应用研究，重点总结了提高静电纺丝素蛋白纤维毡力学性能的3种方法，即后处理、添加增强组分以及制备取向纳米纤维。

丝素蛋白 静电纺丝 有序排列纤维 后处理

丝素蛋白(silk fibroin，简称SF)不仅具有良好的透氧透气性、机械性能、生物相容性，而且还可以通过改变相应的加工参数调节其降解速率，成为生物支架材料的理想选择［1］。静电纺丝技术是一种很好的制备组织工程支架的方法，已广泛应用于组织工程支架领域。

常规的静电纺制备SF纤维毡过程中，由于SF溶解过程中二级结构发生变化，并且纺丝过程中存在着一种不稳定的“鞭动”状态，在快速成型到平板接收装置时，SF分子来不及排列和取向，导致收集到的纤维排列杂乱无章，结晶度和取向度低、力学性能差，不能很好地满足人体对生物组织工程支架的要求，限制了其在生物医学领域方面的应用，因此迫切需要制备力学性能优异的SF纤维毡，以扩大其应用范围。

1 静电纺SF纤维毡

1.1 SF的结构和性能

蚕丝在组成上主要由丝胶和SF两部分构成。SF是一种高分子蛋白，无生理活性，含量约占蚕丝的70%～80%。SF含有18种氨基酸，其中甘氨酸(Gly)、丙氨酸(ALa)和丝氨酸(Ser)约占总组成的80% 以上［2］。

桑蚕丝SF由3个亚单元组成:重链(H链)蛋白亚单元、轻链(L链)蛋白亚单元、P25蛋白。空间结构上，SF含有无规线团、α-螺旋和β-折叠3种构象，其中β折叠构象在天然蚕丝中含量较大，对力学性能起主要作用。天然蚕丝是半结晶性聚合物，结晶度大约在55%左右。SF的结构决定了其良好的机械性能和理化性质，如良好的柔韧性和抗拉伸强度，良好的生物相容性、可降解性、透氧透气性等，且材料降解后可被生物体吸收，无细胞毒性，可以通过某些氨基酸的氨基和侧链的化学修饰较容易地改变表面性能。

1.2 静电纺SF纤维毡在组织工程领域的应用研究

采用静电纺丝技术制备的微纳米纤维支架具有比表面积大、孔隙率高、纤维直径达微纳米级、纤维表面能和活性高、精细程度和均一性高以及具有相互连通的三维网络状结构的优点［3］，因此得到了人们的广泛关注。静电纺SF纤维综合了静电纺纤维和SF的优点，成为近年来组织工程支架材料研究的对象之一［4］。采用静电纺制备的SF微纳米纤维支架材料已经广泛应用于骨、血管、神经、软骨、皮肤等组织工程领域的研究。

Li等［5］通过体外实验，发现静电纺SF纤维支持人体间充质干细胞的生长及向成骨细胞分化，并且该材料有助于促进骨形成。Jeong等［6］对SF表面进行改性并成功培养了表皮胶质细胞，其增殖和迁移良好。钱玉强等［7］的实验结果表明，SF微纳米纤维网支持嗅鞘细胞的黏附、生长与增殖。这些研究工作都表明了SF作为一种良好的细胞生长介质，能促进多种组织细胞的生长和繁殖，且修饰后的SF更适于不同细胞的生长，在制备组织工程支架方面具有良好的发展和应用前景。

2 静电纺SF纤维毡的增强改性研究

SF分子是蚕丝脱胶溶解后经提纯得到，其二级结构发生变化，且静电纺纤维数秒内成型，溶剂挥发快，因此高分子质量的SF分子没有足够的时间进行重排和结晶，导致收集到的初生纤维结晶度和取向度低［8］，力学性能差。

黄建［9］以甲酸为溶剂，制备了静电纺SF纤维毡，并在最佳工艺参数条件下对纤维毡的力学性能进行了测试，其断裂强度为(8.1 ±2.4)MPa，断裂伸长率为(18.1±2.5)%，弹性模量为(167±35)MPa。Park等［10］制备了基于六氟异丙醇(HFIP)为溶剂的初生静电纺SF纤维毡，力学性能测试结果表明，其断裂强度为(1.3±0.2)MPa，断裂伸长率为(7.6 ±1.7)%，弹性模量为(17.7 ±6.8)MPa。实验中发现加入质量分数为1%的碳纳米管后，材料的力学性能显著增强至(13.89±0.9)MPa，但有机溶剂残留对SF的生物相容性有一定影响，此后有人研究了以水为溶剂的SF纤维毡的力学性能。王洪等［11］首次从浓度为10%的再生丝素蛋白水溶液中制得了丝素蛋白无纺布，在此基础上，陈辰等［12］将浓缩至30%左右的SF水溶液进行静电纺丝，并对初生SF纤维毡的力学性能进行测试，结果表明纤维毡的断裂强度为0.82 MPa，断裂伸长率为0.76%。杭怡春等［13］以水为溶剂，采用静电纺丝法制备了无规取向的再生丝素蛋白纳米纤维毡，力学性能测试表明，断裂强度最高达到(1.06 ±0.23)MPa，断裂伸长率为(0.96±0.16)%。可以看出，以水为溶剂的SF纤维毡的力学性能尚无法满足组织工程的使用要求，还需采用其它方法对其增强。

2.1 后处理增强

再生SF纤维的理化性能很大程度依赖于分子构象和结晶度，其中稳定的β-折叠结构是其获得理想机械性能的必要条件［14］。后处理能有效诱导SF发生由无规卷曲向β-折叠构象的转变，提高静电纺SF纤维的结晶度和取向度，改善其力学性能［15，16］。目前静电纺RSF纤维毡后处理的方法主要有:a)甲醇、乙醇等有机溶剂溶液或蒸汽处理;b)水蒸气处理;c)拉伸处理。

2.1.1 基于有机溶剂的静电纺SF纤维毡

黄建［9］以甲酸为溶剂，制备了静电纺SF纤维毡，经90vol%的乙醇处理后其断裂强度、断裂伸长率和杨氏模量分别达到(12.9 ±3.1)MPa、(10.5 ±1.9)%和(309 ±41)MPa。Gandhi等［17］将以甲酸为溶剂的静电纺SF纤维毡在90vol%甲醇水溶液中浸泡并拉伸。测试结果表明，经甲醇浸泡和拉伸处理后，纤维毡的力学性能有很大程度的提高，其断裂强度远远大于只用甲醇处理的纤维毡。Park等［10，18，19］研究了以六氟异丙醇(HFIP)为溶剂，并使用甲醇和水蒸气处理的再生SF纳米纤维。结果表明，甲醇和水蒸气均能诱导SF由无规构象向β-折叠构象转变，且后处理温度对纤维构象转变速率有明显的影响，符合时温等效原理。

2.1.2 基于水为溶剂的静电纺SF纤维毡

陈辰等［12］用甲醇对基于水为溶剂的初生SF纤维毡进行后处理，结果表明处理后的纤维毡的断裂强度由初生纤维毡的0.82 MPa提高到1.49 MPa，断裂伸长率由0.76%提高到1.63%。邵正中等［20］制备了以水为溶剂的静电纺SF纤维毡并用纯乙醇溶液进行后处理。结果表明乙醇处理能促进SF纤维毡由silkⅠ结构向silkII结构转变，纤维毡结晶度明显增加。不同条件下制得的静电纺SF纤维毡的机械性能列于表1中。由表1可知，基于六氟异丙醇和甲酸有机溶剂的静电纺SF纤维毡要比以水为溶剂的静电纺SF纤维毡的力学性能好，而且甲酸溶剂体系的最好。为了避免使用有机溶剂，有必要进一步提高以水为溶剂的静电纺SF纤维毡的力学性能。

总体来说，对于不同体系制备的SF纤维毡，采用乙醇后处理、水蒸气处理、拉伸后处理以及3种方法的结合都可有效提高其力学性能，并扩大其应用范围。

表1 不同条件下制得的静电纺SF纤维毡的机械性能

2.2 添加增强组分增强

很多研究人员利用物理改性的原理，在SF纺丝液中添加其它增强组分以提高SF纤维毡的力学性能。

黄建［9］制备了 SF/桑皮纳米纤维素晶须(CNW)复合纳米纤维毡，CNW质量百分比为4%的复合纳米纤维毡经乙醇处理后，其断裂强度达到38.5 MPa，远远大于未加入 CNW 时的断裂强度(12.9 ±3.1)MPa。杭怡春等［13］以水为溶剂，采用静电纺丝法制备了SF/丝胶纳米纤维毡，其断裂强度最高达到(2.45 ±0.59)MPa，断裂伸长率为(0.59±0.13)%，相比于相同方法制备的SF纤维毡有所提高。分析原因可能是丝胶分子与SF分子形成了分子间氢键，另外丝胶的加入也会降低体系的pH值，引起蛋白质分子间相互作用的增大。Gandhi等［17］利用碳纳米管(CNT)高强高模的性质，以甲酸为溶剂制得了CNT增强的SF纤维毡。进一步在90 vol%甲醇水溶液中浸泡并拉伸处理后，纤维毡的力学性能有很大程度的提高。Zhang等［21］将SF和乳酸与己内酯共聚物(P(LLA-CL))共混制备了以六氟异丙醇(HFIP)为溶剂的纳米纤维支架，结果表明加入P(LLA-CL)可改善材料的脆性，其断裂强度和断裂伸长率相应提高，断裂强度可达到(10.60±2.45)MPa。添加了不同增强组分的SF纤维毡的力学性能列于表2中。

表2 添加了不同增强组分SF纤维毡的力学性能

2.3 制备有序排列的纳米纤维增强

静电纺纤维毡的力学性能差的一个主要原因是静电纺丝过程中存在着一种不稳定的“鞭动”状态，使得接收到的SF纤维排列往往是杂乱无章的［22］，通过制备有序排列的纳米纤维有望改善其力学性能。

研究人员试图通过旋转的辊筒接收装置对喷射流的物理牵伸获得取向纳米纤维。辊筒以每分钟几千转的速度高速旋转，从而使静电纺纳米纤维在辊筒表面取向。McClure等［23］通过一个高速旋转的直径为12 cm的辊筒，制备了有序排列的SF/聚己内酯(PCL)、SF/聚二恶烷酮(PDO)纤维来提高SF材料的力学性能。结果表明，转速为8 r/s时的PCL/SF、PDO/SF纤维毡的最大断裂强度从1.1 MPa和0.9 MPa提高到转速为133.33 r/s时的 2.6 MPa和1.7 MPa，断裂伸长率由0.8%和1.1%增加到1.7%和1.4%。不同转速下辊筒制备的纤维毡的力学性能列于表3中。

表3 不同转速下利用辊筒收集装置制备的SF纤维毡的力学性能

除了采用辊筒接收装置可制备静电纺取向纤维毡外，框架式、辅助磁场式以及水浴式收集装置等都是有效制备高度有序纤维的方法，但这些收集装置目前仅用于研究聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯醇(PVA)、聚醋酸乙烯(PVAc)等人工合成聚合物，Li等［5］将两块平行放置并有一定间隔的硅板作为静电纺收集装置，得到了PVP取向纳米纤维，Smit等［24］将静电纺接收装置改为盛有水的玻璃培养皿，制备连续取向的 PAN、PVAc纤维，Yang等［25］发明了一种磁化静电纺丝的方法用于生产高度取向的PVA纤维。如果将这些接收装置应用于SF体系，则可能更有效地制备有序排列的静电纺SF纤维毡。

3 展望

对SF纤维毡进行多种后处理、添加增强组分以及制备有序排列的SF纳米纤维等方法均可以有效提高其力学性能。结合以上增强方法，还可以通过制备多层有序的SF复合纤维毡，确定具有优异力学性能的最佳纤维毡的厚度、复合层数和角度，为进一步提高SF纤维毡的力学性能提供可能，以满足生物体对组织工程支架的使用要求，并有望应用于尿道、神经、肌肉、血管、肌腱和韧带等生物医学领域。

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Research progress in reinforced silk fibroin tissue engineering scaffolds

Jiang Nannan，Fan Suna，Zhang Yaopeng，Shao Huili，Hu Xuechao
(State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials，College of Materials Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

Traditional electrospun silk fibroin(SF)mats normally show poor mechanical properties and limit the application of SF in tissue engineering.In order to improve the mechanical properties，people paid great attentions to modify the electrospun SF mats recently.This review introduced the structures and properties of SF as well as the applications of electrospun SF mats in tissue engineering.Three main reinforcement methods for SF mats were summarized in detail，such as post-treatment，addition of reinforcing agent and alignment of nanofibers.

silk fibroin;electrospinning;aligned fiber;post-treatment

TQ340.64

A

1006-334X(2012)03-0015-04

2012-08-28

国家自然科学基金(21274018，81170641)，上海市教育委员会科研创新项目(12ZZ065)，上海市青年科技启明星计划(12QA1400100)，中央高校基本科研业务费专项资金资助。

江楠楠，女，山东菏泽人，硕士生，研究方向为静电纺丝。

张耀鹏，zyp@dhu.edu.cn