絲素/膠原纖維針刺支架材料的制備和性能測試

白蓮村 柯勤飛 黃 晨

東華大學紡織學院，上海 201620

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絲素/膠原纖維針刺支架材料的制備和性能測試

白蓮村 柯勤飛 黃 晨

東華大學紡織學院，上海 201620

研究不同質量配比的絲素纖維(SF)、膠原纖維(CF)混合對支架材料性能的影響。將SF/CF分別以10/0、3/1、1/1、1/3、0/10的質量配比混紡，并經針刺加固成非織造支架材料。采用掃描電子顯微鏡、紅外光譜、X射線、孔徑測試、接觸角測試，比較分析支架材料的均勻度、力學性能、孔徑與孔隙率、親水性、生物相容性。結果表明，當絲素纖維與膠原纖維的質量配比為1/3時，支架面密度、厚度誤差均不大于10%，斷裂強力達到529.77 N，斷裂伸長率達到33.18%，接觸角為47.80°，孔徑主要集中在20～100 μm，孔隙率為90%，初步達到半月板支架材料的性能要求。

絲素纖維，膠原纖維，針刺，支架材料

理想的半月板組織工程支架材料應該具有與半月板相當的力學性能和生物活性，以及良好的生物相容性和親水性，并具有一定的孔徑和孔隙率，以滿足細胞生長的條件，能與半月板受損表面發生化學鍵合，從而達到修復組織缺損的目的[1]。沙川華等[2]等利用生物材料力學性能測試系統測得半月板的斷裂強度范圍在(1.31±0.33)～(5.36±2.32)MPa。千建峰[3]探究發現孔徑大于100 μm的支架對細胞的增殖具有良好的促進作用。

膠原纖維屬于再生動物蛋白質纖維，用于制備膠原纖維的膠原蛋白是動物體內含量最多的一類蛋白質[4]。膠原纖維具有生物相容性優、可降解等特點，缺點是其蛋白含量普遍較低。絲素蛋白纖維是天然的蛋白質纖維，其最大的特點是生物相容性良好、可降解、力學性能突出等[5]。絲素蛋白是嵌段共聚物，其中親水性的β- 折疊鏈嵌段占據主體的大部分，這些嵌段之間靠親水片段連接。這種β- 折疊鏈結構提供了絲素蛋白較強的韌性和力學性能[6]。

本試驗將膠原纖維和絲素纖維按不同質量比混合，然后通過針刺非織造工藝制備軟半月板組織工程支架材料，對其相關性能進行測試，選擇適合細胞生長的理想支架材料方案。

1 材料和方法

1.1 試驗材料和儀器

膠原纖維(上海全宇生物科技遂平有限公司)，絲素纖維(上海步克醫藥科技有限公司)，ASI8IA型梳棉試驗梳理機，WFC-100型針刺機。

1.2 試驗方法

1.2.1 絲素/膠原復合纖網制備

將兩種纖維原料均勻混合進行開松，然后通過ASI8IA型梳理機對開松好的纖維進行梳理，得到面密度為100 g/m2的纖網。將兩張相同的纖網疊加，通過WFC-100型針刺機加固，得到面密度為200 g/m2的支架。絲素(Ms)/膠原(Mc)質量比如表1所示，共制備5組。

表1 每組的絲素/膠原質量比

1.2.2 復合纖網的性能測試和表征

(1) 均勻性。通過測試纖網的面密度、厚度、透氣率來間接得到纖網的均勻性。

(2) 力學性能。濕態材料需要在模擬人體體液環境[37 ℃的PBS緩沖液(7.2≤pH≤7.5)]中浸泡2 h， 每組測試5個試樣。

(3) 孔徑和孔隙率。將每組纖網裁剪成3 cm×3 cm 的試樣，均勻涂抹浸潤液至試樣充分浸潤，置于載物臺上進行測試。孔徑的分布通過孔徑儀自動獲得；孔隙率的計算式為：

Pr=[100×(W1-W2)] /ρV

式中：Pr代表孔隙率, %；W1代表濕態質量,g；W2代表干態質量,g；ρ代表浸潤液密度,g/cm3；V代表體積, cm3。

(4) 接觸角。將纖網裁剪成10 mm×30 mm的試樣，固定在玻璃片上進行接觸角測試。

(5) 生物相容性。本試驗采用MTT法對支架材料進行生物相容性測試，波長492 nm。

2 結果與討論

2.1 纖網均勻度

隨著絲素纖維的含量增加，成網難度提高，成網率越低，只有在相對濕度80%以上的條件下才能成網。其次，絲素纖維含量越高，纖維損失率越高，達到12%～35%。再者，絲素纖維含量高，成網過程中形成大量的飛花，造成大量的資源浪費。表2顯示了隨著絲素纖維含量增加，纖網的厚度和透氣性的均勻程度降低，厚度偏差范圍在4.34%～26.26%，透氣性的均勻度范圍為9.00%～16.78%。這可能是由于絲素纖維的表面光滑，纖維間的抱合力低，故紡絲過程中產生較多的損耗，并且易造成接收裝置上的纖網不均勻。

表2 纖網基本性能測試結果

2.2 纖網力學性能

圖1顯示了干態和濕態下隨著膠原纖維的含量增加，纖網的斷裂強度增大，斷裂伸長率降低，拉伸模量沒有明顯的變化，呈微弱的上升趨勢，抗彎剛度明顯增加。這主要是因為膠原纖維的斷裂強度高于絲素纖維。其次，膠原纖維的細度和卷曲度大于絲素纖維，所以膠原纖維之間的抱合力較強，膠原纖維含量高的支架材料的斷裂強度較高。再次，對同種支架材料，濕態下的強力高于干態下，且隨著膠原纖維含量的增加，對應組的濕態支架材料的強力增加越快。這是由于纖維與纖維之間充滿了自由水，纖維的晶區和非晶區也充分吸收了水分而達到飽和，分子鏈間的空隙被部分水分子占據，纖維直徑變粗，纖維表面間的接觸面積擴大，接觸點的擠壓力增加，纖維之間的摩擦抱合更充分。在這樣的情況下，同種支架材料中，隨著膠原纖維含量的增加，支架材料的吸水能力越強，纖維內部吸收的結合水的含量越高，纖維之間的空隙就越來越小，纖維之間的摩擦和糾纏就越充分，使得支架材料最終表現出來的強力越高。

(a) 干態

(b) 濕態

2.3 纖網孔徑和孔隙率

如圖2所示，隨著膠原纖維的含量提高，纖網的平均孔徑越大，且孔徑分布范圍越大。孔徑的大小與纖維的細度有密切關系，纖維直徑小，孔徑隨之減小。由于細胞生長對孔徑的要求很高，孔徑結構為細胞分泌細胞外基質提供了良好的物理環境。支架材料的孔隙率如圖3所示，均大于標準孔隙率。有試驗表明當孔隙率小于90%時，埋入小鼠體內的支架在24周后，表面塌陷部分較少，斷面結構變化不明顯[3]。

圖2 不同纖網孔徑分布

圖3 支架孔隙率

2.4 纖網親水性

從表3中可以看到，隨著絲素纖維含量的增加，支架材料的接觸角逐漸增大，而接觸角與織物的親水性成正相關，其中親水性較好的兩種支架的比例為SF/CF=1/3和SF/CF=0/10，纖網的接觸角分別為47.80°和38.37°。這可能是由于試驗用絲素纖維脫膠后的練減率較高[7]，影響了絲素對水分的吸收。蠶絲的脫膠工藝有很多，且各有優缺點，常見的有皂煮法、生物酶法、酸法和堿法等，其中生物酶法的除膠效果最好，但白度較差。由于絲素中的甘氨酸和丙氨酸的質量分數占70%以上，其中—NH2、—COOH、 —OH等親水性基團約占30%，其吸濕、放濕性較高，故吸水性能很高；絲素周圍包裹絲膠和少量蠟質等非親水物質作為保護層，故而絲膠的去除率越高，其親水性能越好。

表3 纖網接觸角測試結果

2.5 生物相容性

圖4顯示了MC3T3成骨細胞在第Ⅳ組支架材料的MTT試驗中的增殖情況。通過分析可知，隨著培養天數的增加，細胞增殖情況顯著。相對于對照組而言，該復合支架材料更有利于細胞增殖，在培養時間達第5天時，細胞增殖效果非常顯著，說明該復合支架材料的生物相容性良好。

圖4 成骨細胞增殖情況

3 結論

采用不同質量比的絲素/膠原纖維進行混紡，可實現兩種纖維的優勢結合。通過反復大量的試驗嘗試，得到：

(1) 絲素纖維不容易單獨進行梳理成網。將其

與表面較粗糙、卷曲度高的膠原纖維在高濕度狀態下進行混紡，則可解決此問題，既有利于纖維纏結，也不易形成飛花，在誤差允許的范圍內，第Ⅲ、第Ⅳ和第Ⅴ組的支架材料的均勻度較高。

(2) 對比支架材料的力學性能，發現每一組支架材料的拉伸性能都基本能滿足半月板的要求。

(3) 隨著膠原纖維的含量增加，支架材料的孔徑范圍有所擴大，支架材料的孔徑大于100 μm時，其細胞增殖情況良好，有利于支架材料降解，故第Ⅳ和第Ⅴ組為符合條件的纖網。

(4) 由于組織工程支架需要有良好的親水性能，有利于組織液的吸收和釋放，故第Ⅳ和第Ⅴ組為符合條件的纖網。

(5) 絲素蛋白是天然的材料提取物，細胞相容性和細胞黏附性優。由于所用膠原纖維中膠原蛋白的質量分數約為16%，在面密度相同的兩種支架中，第Ⅳ組含有部分絲素纖維，且絲素纖維中的絲素蛋白含量遠高于絲膠蛋白含量，所以第Ⅳ組的絲素蛋白和膠原蛋白的含量之和高于第Ⅴ組，即第Ⅳ組(Ms/Mc=1/3)為最優方案，其生物相容性滿足細胞的生長要求。

[1] BOSE S， ROY M，BANDYOPADHYAY A. Recent advances in bone tissue engineering scaffolds[J]. Trends Biotechnol.，2012, 30(10):546-54.

[2] 沙川華, 李龍, 張濤. 人體內、外側半月板生物材料力學特征及比較的試驗研究[C]//第十六屆全國運動生物力學學術交流大會(CABS 2013)論文集. 中國體育科學學會運動生物力學分會, 2013.

[3] 千建峰. 不同孔徑絲素蛋白材料體內降解的初步研究[D]. 上海：復旦大學, 2012.

[4] 閔雯. 膠原蛋白復合纖維的制備[D]. 北京：北京服裝學院， 2012.

[5] 孫晴晴, 劉源崗, 王士斌, 等. 微觀結構與組織工程絲素支架研究進展[J]. 化工進展，2014，33(4):960-965.

[6] ALTMAN G H，DIAZ F，JAKUBA C，et al. Silk-based biomaterials[J]. Biomaterials，2003，24(3)：401-416.

[7] 楊宏林，項偉，丁建，等.桑蠶絲織物茶皂素脫膠工藝研究[J]. 絲綢，2011，48(11):12-14.

Preparation and performance test of tissue engineering scaffold materials of silk fibers and collagen fibers with needle-punch technique

BaiLiancun,KeQinfei,HuangChen

College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China

Silk fibers (SF) and collagen fibers (CF) were blended to produce scaffold materials with the weight proportion of 10/0, 3/1, 1/1, 1/3, 0/10 respectively, and the performance of the materials was studied. Evenness, mechanical properties, pore size and porosity, hydrophilicity, biocompatibility of the scaffold materials were compared and analyzed via scanning electron microscope, FT-IR, XRD, and aperture test, contact-angle test. The results showed that when the weight ratio of SF/CF was 1/3, difference of area density or thickness of scaffold materials was less than 10%. The breaking strength (529.77 N), the elongation at break (33.18%), the contact angle (47.80°), the pore size (20～100 μm) and the porosity (90%) indicated that the scaffold materials could meet the requirements for meniscus.

silk fiber, collagen fiber, needle-punch, scaffold material

2015-09-14

白蓮村，男，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向為生物醫用非織造材料

TS176+.3

A

1004-7093(2016)06-0017-04