疝修補片用再生絲素蛋白納米纖維膜的制備與性能探討

陳小菊 沈嘉麗 張佩華

1. 常州市康蒂娜醫(yī)療科技有限公司(中國) 2. 東華大學 紡織學院(中國)

疝氣是威脅人類腹壁健康的一種常見疾病，中國每年因疝氣而產生的手術治療病例數(shù)量超100萬例[1]。在眾多治療方案中，無張力修補手術能夠有效治療疝氣，同時大幅降低疝氣復發(fā)的概率。疝修補片作為修補手術的基體材料，已廣泛應用于各類疝氣手術中，可有效控制疝氣的發(fā)生與反復發(fā)作[2]。然而，由于疝修補片的結構各異，且在人體內使用的過程中易發(fā)生“新生腹膜化”作用，造成補片材料與機體器官間黏連，這給疾病的治療帶來了巨大的困難[3]。

靜電紡納米纖維因其高孔隙率、大比表面積和強吸附能力等優(yōu)勢，在復合型功能疝修補片材料領域有較大的應用前景[4]。近年來，再生絲素蛋白(regenerated silk fibroin， RSF)作為一種具有良好生物相容性和生物可降解性的天然蛋白質材料，在生物醫(yī)用紡織品領域，如：疝修補片、血管支架、人工肌肉等方面，引起人們的廣泛關注[5-6]。RSF納米纖維膜也逐漸成為疝修補片防黏連功能層的熱門材料[7]。然而，目前常用的RSF納米纖維膜仍存在力學性能不足、熱力學性能不穩(wěn)定等問題。

本文基于靜電紡絲技術，制備含不同質量分數(shù)RSF的納米纖維膜，并測量所得纖維膜試樣的表觀形貌、拉伸性能與熱力學性能，以優(yōu)化RSF的添加量。研究為高品質疝修補片用RSF納米纖維膜的開發(fā)提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料與設備

試驗材料：蠶繭，京裕成實驗設備有限公司；尿素，上海易勢化工有限公司；無水溴化鋰，上海易勢化工有限公司；甲酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

試驗設備：掃描電子顯微鏡，TM3000型；傅里葉變換近紅外光譜儀，Antaris Ⅱ型；醫(yī)用紡織品多功能強力儀，YG(B)026h-500型；靜電紡絲推進器，KDS100型，美國Scientific公司。

1.2 RSF的提取與制備

RSF的提取與制備過程如圖1所示。RSF的提取過程可分為蠶繭的物理處理、脫膠、溶解、透析和凍干5個階段。其中，蠶繭的物理處理主要是采用剪刀等工具將蠶繭剪成小碎片，以利于在下一步與尿素溶液充分結合；脫膠的主要目的是去除蠶絲表面的絲膠，但不破壞絲素本身的分子結構；溶解是為了將絲素大分子降解為小分子；透析的目的是獲取純凈的再生絲素蛋白纖維；凍干的目的是獲取絲素蛋白成品。

圖1 RSF的提取與制備過程

1.3 RSF納米纖維膜的制備

以甲酸為溶劑，配制RSF質量分數(shù)分別為12%、 14%、 15%和17%的RSF溶液，并在常溫下攪拌，直至氣泡完全消除后進行靜電紡絲。根據(jù)前期試驗，當紡絲電壓為15 kV、紡絲接收距離為18 cm、紡絲速度為1 mL/h時，納米纖維的成型性較好。本文選擇上述紡絲工藝參數(shù)制備RSF納米纖維膜試樣。

1.4 性能測試與表征

1.4.1 表觀形態(tài)

采用TM3000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察RSF納米纖維膜試樣的表觀形態(tài)。

1.4.2 紅外光譜分析

在KBr作用下，將RSF納米纖維膜研磨成細小的粉末，然后將其放置于傅里葉變換紅外光譜儀中，進行紅外光譜分析。

1.4.3 拉伸性能

在RSF納米纖維膜上均勻地剪取尺寸為0.5 cm×3.0 cm的矩形試樣各5塊，采用醫(yī)用紡織品多功能強力儀測試矩形試樣的拉伸強度，設定隔距為10 mm，拉伸速度為5 mm/min。

2 結果與討論

2.1 表觀形貌

不同RSF質量分數(shù)下制得的RSF納米纖維膜的SEM圖如圖2所示。由圖2可以看出，RSF質量分數(shù)不同，所得RSF納米纖維膜的表觀形態(tài)存在較大的差異。當RSF質量分數(shù)為12%時，纖維成絲性能較差，且出現(xiàn)明顯的串珠現(xiàn)象。原因是紡絲液濃度較低時，分子鏈之間未形成足夠的纏結，因此得到的纖維上帶有聚合物顆粒，表現(xiàn)為非連續(xù)成絲狀態(tài)的纖維。此外，因RSF質量分數(shù)小，溶液的黏度相對較小，這同樣影響射流的連續(xù)性。當RSF質量分數(shù)達14%時，纖維上的聚合物顆粒消失，但成絲狀態(tài)不好的情況仍然存在。當RSF質量分數(shù)為15%時，形成的纖維連續(xù)而均勻。當RSF質量分數(shù)繼續(xù)增大至17%時，溶液的黏度過大，紡絲過程較困難，甚至出現(xiàn)堵塞針頭的情況。因此可認為，RSF質量分數(shù)為15%時，制得的RSF納米纖維膜表觀形貌最佳，所得納米纖維的直徑也最均勻。

圖2 不同RSF質量分數(shù)下所得RSF納米纖維膜的SEM圖

2.2 紅外光譜分析

不同RSF質量分數(shù)下制備的RSF納米纖維膜的紅外光譜如圖3所示。由圖3可以看出，RSF質量分數(shù)不同，所得RSF納米纖維膜的紅外光譜曲線差異不大。在波長為1 627.54 cm-1和1 628.25 cm-1處，RSF納米纖維膜試樣呈現(xiàn)出絲素蛋白酰胺Ⅰ中β-折疊鏈的特征吸收峰；在波長為1 628.75 cm-1和1 647.51 cm-1處，RSF納米纖維膜試樣呈現(xiàn)出酰胺Ⅰ中無規(guī)卷曲和α-螺旋的特征吸收峰。這表明，制得的RSF納米纖維膜具備較典型的再生絲素蛋白特性。當RSF質量分數(shù)為15%時，纖維基團的極性最強，表明此時RSF納米纖維膜的穩(wěn)定性最好。

圖3 不同RSF質量分數(shù)下所得RSF納米纖維膜的紅外光譜圖

2.3 拉伸性能

不同RSF質量分數(shù)下制得的RSF納米纖維膜的拉伸性能曲線如圖4所示。由圖4可知，RSF質量分數(shù)不同，所得RSF納米纖維膜的拉伸性能差異較大。RSF質量分數(shù)為12%時，所得RSF納米纖維膜試樣的成型性較差，其拉伸強度過低，力學曲線難以顯示，故圖4未給出RSF質量分數(shù)為12%時所得納米纖維膜的拉伸性能曲線。此時，制得的RSF納米纖維膜也明顯不適于疝修補片功能層的應用。總體而言，隨著RSF質量分數(shù)的增大，RSF納米纖維膜試樣的拉伸強度先增大后減小，當RSF質量分數(shù)為15%時，試樣的拉伸強度最高。原因是當RSF質量分數(shù)較小時，不易形成均勻的納米纖維膜，因此強度較?。划擱SF質量分數(shù)過大時，紡絲液的黏度過大，易造成紡絲困難，導致納米纖維膜的強度下降。

圖4 不同RSF質量分數(shù)下所得RSF納米纖維膜的拉伸性能曲線

3 結論

本文通過堿液提取法制備出純凈的再生絲素蛋白(RSF)。然后，配制RSF質量分數(shù)分別為12%、14%、15%和17%的溶液，再利用靜電紡絲技術紡制不同RSF質量分數(shù)的RSF納米纖維膜。對所得納米纖維膜進行表觀形態(tài)觀察、紅外光譜分析與拉伸性能測試。結果顯示：當RSF質量分數(shù)為15%時，所得納米纖維膜的表觀形貌較好、特征吸收峰明顯，纖維直徑均勻，并且纖維膜的穩(wěn)定性好、拉伸強度高，具備應用于疝修補片功能層的潛力。