絲素蛋白具有良好的生物相容性且來源廣泛，然而純絲素蛋白材料硬而脆，易斷裂，可紡性差。而PVA是一種成本低廉的生物相容性聚合物，成膜性能好，具有良好的物理機(jī)械性能。本文使用了天津市衛(wèi)生裝備研究所提供的桑蠶絲、北京普博欣生物科技有限責(zé)任公司提供的透析袋。通過絲素蛋白與PVA的共混，能夠改善絲素蛋白的缺陷，彌補(bǔ)其不足，并通過靜電紡絲技術(shù)制得性能優(yōu)良的納米纖維材料。細(xì)且均勻的SF/PVA共混納米纖維材料，在再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的潛在價(jià)值和前景。
實(shí)驗(yàn)操作得出關(guān)鍵數(shù)據(jù)
蠶絲主要是由絲膠和絲素蛋白兩部分構(gòu)成。絲素蛋白是蠶絲的主要部分，含量約占蠶絲的70%~80%，絲素蛋白分子以反平行折疊鏈(β-sheet)構(gòu)象為基礎(chǔ)，形成直徑約為10nm的微纖維，無數(shù)纖維密切結(jié)合組成直徑約為1μm的細(xì)纖維，約100根細(xì)纖維沿長(zhǎng)軸排列，構(gòu)成直徑為10μm~18μm的單纖維，這種單纖維就是絲素蛋白纖維。絲素蛋白作為一種天然的蛋白纖維材料，含有人體所必需的氨基酸，對(duì)活體組織具有良好的生物相容性，對(duì)機(jī)體無毒性、無致敏和刺激作用，絲素蛋白可部分生物降解，其降解產(chǎn)物本身不僅對(duì)組織無毒副作用，還對(duì)如皮膚、牙周組織等有營(yíng)養(yǎng)與修復(fù)的作用。
SF/PVA共混靜電紡納米纖維作為組織工程支架，一方面由于電紡納米纖維膜具有孔隙率高、長(zhǎng)徑比大、生物相容性好的優(yōu)點(diǎn)，有利于細(xì)胞的粘附、遷移以及增值，指導(dǎo)細(xì)胞分化成熟細(xì)胞體；另一方面，神經(jīng)、平滑肌血管內(nèi)皮細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞等在組織的生長(zhǎng)上具有方向性,控制細(xì)胞按照一定的方向生長(zhǎng)對(duì)其分化具有非常重要的作用。在生物相容性納米纖維材料用于組織工程支架的研究中，人們也發(fā)現(xiàn)納米纖維的取向度對(duì)于細(xì)胞的吸附和增殖具有重要作用，即細(xì)胞傾向于沿著納米纖維取向的方向生長(zhǎng)。
實(shí)驗(yàn)操作得出關(guān)鍵數(shù)據(jù)
由于絲素蛋白分子具有高度有序的反平行β-折疊構(gòu)象，并且兩條相鄰的β-折疊肽鏈的N-H和C=O間形成氫鍵，結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，因此絲素在一般條件下是難以溶解的，只有在酸堿或是高濃度的中性鹽溶液中才能水解，然而用酸堿會(huì)使絲素的分子量降低，不利于紡絲，所以一般用高濃度的中性鹽溶液來溶解絲素。本論文擬采用CaCl2-C2H5OH-H2O三元溶劑溶解絲素。
本實(shí)驗(yàn)流程是：蠶絲脫膠—絲素溶解—絲素溶液透析—絲素溶液濃縮—絲素溶液濃度測(cè)定。
原料與儀器
桑蠶絲若干(天津市衛(wèi)生裝備研究所提供)；碳酸鈉、氯化鈣、乙醇、聚乙二醇(PEG-20000，平均分子質(zhì)量為18500g~22000g)(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司提供)；透析袋(規(guī)格為3500道爾頓，北京普博欣生物科技有限責(zé)任公司提供)。集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(型號(hào)DF-101S，鞏義市英峪予華儀器廠提供)；高速大容量電動(dòng)離心機(jī)(型號(hào)XJ-A)、電子天平(型號(hào)JA5003)和數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱(型號(hào)GZX-9070MBE，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠提供)。
試樣的制備
稱取適量的桑蠶絲置于濃度為0.5%的碳酸鈉溶液中，浴比為1︰50，在90℃~100℃的水浴鍋中處理30min，并在此過程中不斷攪拌，30min后取出用自來水沖洗干凈，重復(fù)3次，前兩次用自來水沖洗，第三次用去離子水沖洗。以脫去蠶絲中的絲膠。脫膠后洗凈，用烘箱在60℃下烘干得到精煉蠶絲，并計(jì)算脫膠率。可以通過脫膠率的計(jì)算來估測(cè)絲膠脫去情況(注：蠶絲中絲素蛋白約占總重量的75%，絲膠約占25%，故脫膠率應(yīng)在25%左右)。
離心后得到絲素蛋白與三元溶劑的混合溶液，但是絲素溶液分子中含有CaCl2、C2H5OH小分子，如若紡成納米纖維膜用于組織工程材料，不僅會(huì)影響細(xì)胞的粘附，也會(huì)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)造成危害，降低其生物相容性，故必須設(shè)法把這些小分子去除，得到純凈的SF溶液。絲素蛋白屬于大分子，故考慮用透析的辦法，用一種膜能阻止絲素蛋白大分子通過卻能讓CaCl2等小分子通過。選擇規(guī)格比較小的透析袋來透析純化絲素蛋白溶液。
把規(guī)格為3500道爾頓的透析袋剪成20cm長(zhǎng)的小段，根據(jù)絲素溶液的量剪取適當(dāng)?shù)亩螖?shù)，放入去離子水中浸泡幾分鐘，透析袋會(huì)慢慢變軟脹開成筒狀。把絲素蛋白溶液加入透析袋中，不要裝的太滿，裝入量約占透析袋長(zhǎng)度的1/2~2/3之間，裝液量不要太多，以免透析過程中把透析袋脹破，絲素蛋白溶液流出。然后，把透析袋扎緊，放在流動(dòng)的自來水中透析48h，之后用去離子水透析24h，并且需要每?jī)蓚�(gè)小時(shí)換一次水。透析后可用硝酸銀溶液檢驗(yàn)用于透析的水中是否有白色沉淀，無沉淀則得到純的絲素蛋白溶液。
將透析過的絲素蛋白溶液連同透析袋直接放入40%的PEG-20000溶液中濃縮，PEG-20000溶液要能浸沒透析袋，大約7~8小時(shí)后會(huì)濃縮到15%左右。此過程中要一直注意絲素蛋白溶液的濃縮程度，以免絲素蛋白溶液成膜。
取一定量濃縮后的絲素蛋白溶液，稱取其質(zhì)量，然后放在室溫條件下自然干燥成膜，并稱取膜的質(zhì)量，因?yàn)榻z素蛋白大分子不易揮發(fā)，可用膜的質(zhì)量除以取得的絲素蛋白溶液的質(zhì)量，來代替絲素蛋白溶液的濃度。
靜電紡絲實(shí)驗(yàn)
靜電紡絲試驗(yàn)裝置如下圖所示，即常見的針—板電極結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)溶液通過微量計(jì)量泵控制流速，經(jīng)醫(yī)用注射軟管推入噴絲針管。交流變壓器經(jīng)整流后得到直流高壓加于電極兩端。
本實(shí)驗(yàn)中聚乙烯醇的濃度為8%。根據(jù)所需要的濃度，稱取一定質(zhì)量的聚乙烯醇(PVA)，加入蒸餾水中，放在磁力攪拌器中，溫度設(shè)置在80℃，攪拌1h，直至完全溶解，制得所需濃度的PVA溶液。
將配比好的溶液充分溶解混合后加入20ml注射器中，用醫(yī)用軟管連接到噴絲針管，噴絲針頭取21號(hào)針(外徑0.82mm，內(nèi)徑0.52mm)、22號(hào)針(外徑0.72mm，內(nèi)徑0.42mm)。將注射器固定于微量注射泵上，流量可用微量注射泵控制。將高壓電源用電夾夾在針頭處，接收極接地，本實(shí)驗(yàn)中電源電壓范圍在15kV~30kV。實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)如下表所示。
數(shù)據(jù)分析確定最佳工藝
在相同的接收距離、相同電壓下，不同的溶液及配比的比較。取實(shí)驗(yàn)組A2、A5、B1、C1、D1、E1、F1、G1中樣品研究如下。
如上圖所示，比較A2和A5可以觀察到，純的SF溶液濃度為25%時(shí)，紡出的樣品能夠成絲，但是卻有很多珠狀液滴出現(xiàn)，當(dāng)濃度提高到34%時(shí)，A5明顯比A2紡出的絲的效果好，但仍有部分膜狀結(jié)構(gòu)粘連，可能是溶劑未揮發(fā)干凈留下的。當(dāng)絲素濃度較低時(shí)，絲素溶液具有較差的可紡性，這是因?yàn)榧徑z液粘度小、分子鏈間作用力微弱、表面張力不夠，并且此時(shí)紡絲液中溶劑含量大，揮發(fā)緩慢，所以在A2圖中的樣品出現(xiàn)了較多細(xì)小的珠狀液滴，且纖維層間粘連嚴(yán)重，濃度增大有所改善，但還是有粘連。
比較A2和B1可以看出當(dāng)在25%的SF溶液中加入PVA時(shí)，紡絲液的可紡性明顯增加，A2中只是出現(xiàn)少許絲，大量的珠狀液滴，B1中卻出現(xiàn)了很多絲，而且絲比較均勻，雖然還是有部分珠狀液滴。可見在純的SF溶液中加入PVA能夠改善SF溶液的可紡性，這是因?yàn)镻VA具有很好的韌性，溶液粘度較大，加入SF溶液中，使SF溶液的粘度增加，分子鏈間作用力增強(qiáng)。
比較B1、C1、D1、E1可以看到SF/PVA的配比由90/10變化到50/50時(shí)，可紡性進(jìn)一步改善。當(dāng)PVA含量低時(shí)，噴絲還是比較困難，接收板上出現(xiàn)較多珠狀液滴(如圖C1、D1、E1)，提高PVA的含量后，共混紡絲液的可紡性增加，珠狀液滴會(huì)逐漸減少。而近一步增加PVA的含量，又會(huì)出現(xiàn)珠狀液滴。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是紡絲液中兩組分的共混相容性所引起的。比較F1、G1，共混紡絲液紡出的絲中有珠狀液滴，而純的PVA絲卻很均勻，很少有珠狀液滴。
結(jié)論：SF溶液濃度增大，其可紡性增加；加入PVA后可紡性近一步增加，當(dāng)配比為60/40左右時(shí)，效果最好。
靜電紡絲過程中，噴絲針頭處的液滴在高壓靜電力的作用下克服紡絲液表面張力，形成射流，在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)變形，在電場(chǎng)力的作用下來拉伸，最終在接收板上形成纖維。因此，場(chǎng)強(qiáng)對(duì)纖維的形貌、分布、直徑等都產(chǎn)生重要的影響。
對(duì)于實(shí)驗(yàn)用的針—板電極結(jié)構(gòu)中，某一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小與針板之間所加的電壓是緊密相關(guān)的，改變電壓就能改變場(chǎng)強(qiáng)大小，從而影響射流受力情況。
對(duì)于一定流速的紡絲液，如果場(chǎng)強(qiáng)太小，無法克服表面張力，液滴就會(huì)慢慢在針尖處積累，最后在重力作用下掉下來，對(duì)于易揮發(fā)性的溶劑，則可能使溶劑在針尖處揮發(fā)，固化的溶質(zhì)會(huì)堵住針口，它們都無法形成纖維。如果場(chǎng)強(qiáng)太大，射流受到的電場(chǎng)力就會(huì)很大，就會(huì)使針尖處的溶液供應(yīng)速率無法達(dá)到供給要求，就會(huì)出現(xiàn)斷流，這樣形成的纖維，直徑分散度會(huì)比較大。
因此，實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于某一種紡絲液，正常紡絲需要的場(chǎng)強(qiáng)是一個(gè)區(qū)間范圍，即所加電壓有一個(gè)區(qū)間范圍。取實(shí)驗(yàn)組A9、A10、A11，這三組試驗(yàn)中SF/PVA=100/0，SF濃度為34%，除紡絲電壓變化外，其余條件均相同。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可分析出A9中纖維相對(duì)較粗，纖維直徑分布比較寬，纖維粗細(xì)不均勻，其原因是噴絲液擠出后沒有得到充分的牽伸。隨著電壓的增高，電壓為25kV時(shí)紡絲液得到很好的牽伸，纖維直徑變細(xì)，直徑分布比較窄。電壓為30kV，纖維直徑的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均比電壓為25kV時(shí)小，說明此時(shí)纖維直徑更加均勻。(經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào))
