丝素/胶原纤维针刺支架材料的制备和性能测试

白莲村 柯勤飞 黄 晨

东华大学纺织学院，上海 201620



丝素/胶原纤维针刺支架材料的制备和性能测试

白莲村 柯勤飞 黄 晨

东华大学纺织学院，上海 201620

研究不同质量配比的丝素纤维(SF)、胶原纤维(CF)混合对支架材料性能的影响。将SF/CF分别以10/0、3/1、1/1、1/3、0/10的质量配比混纺，并经针刺加固成非织造支架材料。采用扫描电子显微镜、红外光谱、X射线、孔径测试、接触角测试，比较分析支架材料的均匀度、力学性能、孔径与孔隙率、亲水性、生物相容性。结果表明，当丝素纤维与胶原纤维的质量配比为1/3时，支架面密度、厚度误差均不大于10%，断裂强力达到529.77 N，断裂伸长率达到33.18%，接触角为47.80°，孔径主要集中在20～100 μm，孔隙率为90%，初步达到半月板支架材料的性能要求。

丝素纤维，胶原纤维，针刺，支架材料

理想的半月板组织工程支架材料应该具有与半月板相当的力学性能和生物活性，以及良好的生物相容性和亲水性，并具有一定的孔径和孔隙率，以满足细胞生长的条件，能与半月板受损表面发生化学键合，从而达到修复组织缺损的目的[1]。沙川华等[2]等利用生物材料力学性能测试系统测得半月板的断裂强度范围在(1.31±0.33)～(5.36±2.32)MPa。千建峰[3]探究发现孔径大于100 μm的支架对细胞的增殖具有良好的促进作用。

胶原纤维属于再生动物蛋白质纤维，用于制备胶原纤维的胶原蛋白是动物体内含量最多的一类蛋白质[4]。胶原纤维具有生物相容性优、可降解等特点，缺点是其蛋白含量普遍较低。丝素蛋白纤维是天然的蛋白质纤维，其最大的特点是生物相容性良好、可降解、力学性能突出等[5]。丝素蛋白是嵌段共聚物，其中亲水性的β- 折叠链嵌段占据主体的大部分，这些嵌段之间靠亲水片段连接。这种β- 折叠链结构提供了丝素蛋白较强的韧性和力学性能[6]。

本试验将胶原纤维和丝素纤维按不同质量比混合，然后通过针刺非织造工艺制备软半月板组织工程支架材料，对其相关性能进行测试，选择适合细胞生长的理想支架材料方案。

1 材料和方法

1.1 试验材料和仪器

胶原纤维(上海全宇生物科技遂平有限公司)，丝素纤维(上海步克医药科技有限公司)，ASI8IA型梳棉试验梳理机，WFC-100型针刺机。

1.2 试验方法

1.2.1 丝素/胶原复合纤网制备

将两种纤维原料均匀混合进行开松，然后通过ASI8IA型梳理机对开松好的纤维进行梳理，得到面密度为100 g/m2的纤网。将两张相同的纤网叠加，通过WFC-100型针刺机加固，得到面密度为200 g/m2的支架。丝素(Ms)/胶原(Mc)质量比如表1所示，共制备5组。

表1 每组的丝素/胶原质量比

1.2.2 复合纤网的性能测试和表征

(1) 均匀性。通过测试纤网的面密度、厚度、透气率来间接得到纤网的均匀性。

(2) 力学性能。湿态材料需要在模拟人体体液环境[37 ℃的PBS缓冲液(7.2≤pH≤7.5)]中浸泡2 h， 每组测试5个试样。

(3) 孔径和孔隙率。将每组纤网裁剪成3 cm×3 cm 的试样，均匀涂抹浸润液至试样充分浸润，置于载物台上进行测试。孔径的分布通过孔径仪自动获得；孔隙率的计算式为：

Pr=[100×(W1-W2)] /ρV

式中：Pr代表孔隙率, %；W1代表湿态质量,g；W2代表干态质量,g；ρ代表浸润液密度,g/cm3；V代表体积, cm3。

(4) 接触角。将纤网裁剪成10 mm×30 mm的试样，固定在玻璃片上进行接触角测试。

(5) 生物相容性。本试验采用MTT法对支架材料进行生物相容性测试，波长492 nm。

2 结果与讨论

2.1 纤网均匀度

随着丝素纤维的含量增加，成网难度提高，成网率越低，只有在相对湿度80%以上的条件下才能成网。其次，丝素纤维含量越高，纤维损失率越高，达到12%～35%。再者，丝素纤维含量高，成网过程中形成大量的飞花，造成大量的资源浪费。表2显示了随着丝素纤维含量增加，纤网的厚度和透气性的均匀程度降低，厚度偏差范围在4.34%～26.26%，透气性的均匀度范围为9.00%～16.78%。这可能是由于丝素纤维的表面光滑，纤维间的抱合力低，故纺丝过程中产生较多的损耗，并且易造成接收装置上的纤网不均匀。

表2 纤网基本性能测试结果

2.2 纤网力学性能

图1显示了干态和湿态下随着胶原纤维的含量增加，纤网的断裂强度增大，断裂伸长率降低，拉伸模量没有明显的变化，呈微弱的上升趋势，抗弯刚度明显增加。这主要是因为胶原纤维的断裂强度高于丝素纤维。其次，胶原纤维的细度和卷曲度大于丝素纤维，所以胶原纤维之间的抱合力较强，胶原纤维含量高的支架材料的断裂强度较高。再次，对同种支架材料，湿态下的强力高于干态下，且随着胶原纤维含量的增加，对应组的湿态支架材料的强力增加越快。这是由于纤维与纤维之间充满了自由水，纤维的晶区和非晶区也充分吸收了水分而达到饱和，分子链间的空隙被部分水分子占据，纤维直径变粗，纤维表面间的接触面积扩大，接触点的挤压力增加，纤维之间的摩擦抱合更充分。在这样的情况下，同种支架材料中，随着胶原纤维含量的增加，支架材料的吸水能力越强，纤维内部吸收的结合水的含量越高，纤维之间的空隙就越来越小，纤维之间的摩擦和纠缠就越充分，使得支架材料最终表现出来的强力越高。

(a) 干态

(b) 湿态

2.3 纤网孔径和孔隙率

如图2所示，随着胶原纤维的含量提高，纤网的平均孔径越大，且孔径分布范围越大。孔径的大小与纤维的细度有密切关系，纤维直径小，孔径随之减小。由于细胞生长对孔径的要求很高，孔径结构为细胞分泌细胞外基质提供了良好的物理环境。支架材料的孔隙率如图3所示，均大于标准孔隙率。有试验表明当孔隙率小于90%时，埋入小鼠体内的支架在24周后，表面塌陷部分较少，断面结构变化不明显[3]。

图2 不同纤网孔径分布

图3 支架孔隙率

2.4 纤网亲水性

从表3中可以看到，随着丝素纤维含量的增加，支架材料的接触角逐渐增大，而接触角与织物的亲水性成正相关，其中亲水性较好的两种支架的比例为SF/CF=1/3和SF/CF=0/10，纤网的接触角分别为47.80°和38.37°。这可能是由于试验用丝素纤维脱胶后的练减率较高[7]，影响了丝素对水分的吸收。蚕丝的脱胶工艺有很多，且各有优缺点，常见的有皂煮法、生物酶法、酸法和碱法等，其中生物酶法的除胶效果最好，但白度较差。由于丝素中的甘氨酸和丙氨酸的质量分数占70%以上，其中—NH2、—COOH、 —OH等亲水性基团约占30%，其吸湿、放湿性较高，故吸水性能很高；丝素周围包裹丝胶和少量蜡质等非亲水物质作为保护层，故而丝胶的去除率越高，其亲水性能越好。

表3 纤网接触角测试结果

2.5 生物相容性

图4显示了MC3T3成骨细胞在第Ⅳ组支架材料的MTT试验中的增殖情况。通过分析可知，随着培养天数的增加，细胞增殖情况显著。相对于对照组而言，该复合支架材料更有利于细胞增殖，在培养时间达第5天时，细胞增殖效果非常显著，说明该复合支架材料的生物相容性良好。

图4 成骨细胞增殖情况

3 结论

采用不同质量比的丝素/胶原纤维进行混纺，可实现两种纤维的优势结合。通过反复大量的试验尝试，得到：

(1) 丝素纤维不容易单独进行梳理成网。将其

与表面较粗糙、卷曲度高的胶原纤维在高湿度状态下进行混纺，则可解决此问题，既有利于纤维缠结，也不易形成飞花，在误差允许的范围内，第Ⅲ、第Ⅳ和第Ⅴ组的支架材料的均匀度较高。

(2) 对比支架材料的力学性能，发现每一组支架材料的拉伸性能都基本能满足半月板的要求。

(3) 随着胶原纤维的含量增加，支架材料的孔径范围有所扩大，支架材料的孔径大于100 μm时，其细胞增殖情况良好，有利于支架材料降解，故第Ⅳ和第Ⅴ组为符合条件的纤网。

(4) 由于组织工程支架需要有良好的亲水性能，有利于组织液的吸收和释放，故第Ⅳ和第Ⅴ组为符合条件的纤网。

(5) 丝素蛋白是天然的材料提取物，细胞相容性和细胞黏附性优。由于所用胶原纤维中胶原蛋白的质量分数约为16%，在面密度相同的两种支架中，第Ⅳ组含有部分丝素纤维，且丝素纤维中的丝素蛋白含量远高于丝胶蛋白含量，所以第Ⅳ组的丝素蛋白和胶原蛋白的含量之和高于第Ⅴ组，即第Ⅳ组(Ms/Mc=1/3)为最优方案，其生物相容性满足细胞的生长要求。

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

[2] 沙川华, 李龙, 张涛. 人体内、外侧半月板生物材料力学特征及比较的试验研究[C]//第十六届全国运动生物力学学术交流大会(CABS 2013)论文集. 中国体育科学学会运动生物力学分会, 2013.

[3] 千建峰. 不同孔径丝素蛋白材料体内降解的初步研究[D]. 上海：复旦大学, 2012.

[4] 闵雯. 胶原蛋白复合纤维的制备[D]. 北京：北京服装学院， 2012.

[5] 孙晴晴, 刘源岗, 王士斌, 等. 微观结构与组织工程丝素支架研究进展[J]. 化工进展，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] 杨宏林，项伟，丁建，等.桑蚕丝织物茶皂素脱胶工艺研究[J]. 丝绸，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

白莲村，男，1991年生，在读硕士研究生，研究方向为生物医用非织造材料

TS176+.3

A

1004-7093(2016)06-0017-04