邵伟力，何建新，崔世忠

（中原工学院 纺织学院，河南 郑州 450007）

丝素 （SF）来源丰富，价格低廉，无毒，具有良好的生物相容性及一定的降解性，是近年来生物医用材料领域的研究热点之一[1－3].目前，关于丝蛋白静电纺的研究都是基于桑蚕丝的，国内尚未发现采用以水为溶剂并以柞蚕丝素为原料进行静电纺丝研究的相关报道.丝素属于高分子重链结构蛋白，桑蚕丝的肽链中主要是以甘丙甘序列为主，柞蚕丝素的肽链是以丙丙序列为主[4]，但是柞蚕丝含有特殊的精氨酸－甘氨酸－天门冬氨酸（RGD）三肽序列，文献[5]的研究显示柞蚕丝中这种氨基酸组成和序列有助于细胞黏附，而且含有一定量的带正电荷的氨基酸，柞蚕丝素蛋白对细胞的亲和性比桑蚕丝素更强，其在组织工程支架方面的应用具有相当大的潜能.

静电纺技术是迄今唯一能够获得连续纳米纤维并可以工业化生产的有效方法，静电纺丝素纳米纤维表现出优异的生物学性能[6－7].天然骨是由胶原I和羟基磷灰石（HAP）构成的有机／无机生物纳米复合材料.基于单一材料缺乏表面特性、降解速率难以保持等缺点，本文选用生物相容性、生物降解性和细胞黏附性良好的柞蚕丝素蛋白（TSF）和HAP进行同轴静电纺丝，制备了核壳结构纳米纤维，其结构与骨极为相似，将成为骨组织工程支架潜在的应用材料.

1 试验部分

1.1 材料

柞蚕茧，河南南阳；HAP，国药集团；截留相对分子质量为8 000～1 4000的透析袋，上海贺宝化工有限公司；所用试剂均为分析纯，国药集团.

1.2 柞蚕丝素水溶液的制备

将柞蚕茧与质量分数为0.7%的碳酸钠溶液98℃处理30min，浴比为1∶30，重复脱胶3次去除丝胶.脱胶的蚕茧与浓度为9mol／L的LiSCN 55℃超声1h，浴比为1∶35，溶解后的柞蚕丝丝素粗溶液利用透析袋透析，自来水透析2d，蒸馏水透析1 d，得到质量分数为0.8%左右的柞蚕丝素水溶液，最后室温下鼓风浓缩得到质量分数为31%的溶液.

1.3 纳米HAP粒子的制备

将1.55g HAP置于5mL质量分数为0.04%的柠檬酸水溶液中，在磁力搅拌器上密封搅拌0.5h，制得纳米HAP粒子，用于静电纺丝.图1所示为HAP粒子场发射扫描电镜照片.所得的HAP粒子长宽约为150nm×50nm.

图1 HAP颗粒的SEM图Fig.1 SEM image of HAP particles

1.4 静电纺丝

同轴挤出装置如图2所示.内针头规格为7＃（直径为0.70mm）、外针头规格为13＃（直径为1.30mm），将质量分数为31%的再生柞蚕丝素水溶液置于上方的纺丝管中，HAP溶液置于下方的纺丝管中，阳极夹至注射器针头，阴极与收集网相接.纺丝电压为20kV，喷丝口到收集网的距离为18cm，纺丝流量为0.3mL／h，采用铝箔收集纳米纤维.

图2 同轴挤出装置Fig.2 The coaxial extrusion device

1.5 扫描电镜测试

采用JSM-6360型电子扫描显微镜观察核壳结构纳米纤维表面形貌.测试条件：恒温（20±2）℃，相对湿度（65±5）%，加速电压为15kV，测试前样品进行镀金处理.

1.6 透射电镜测试

在样品制备的过程中用超纯水反复冲洗核壳结构纳米纤维膜，洗去残留的盐.为了防止纤维在强电子束作用下发生晃动，用两片空的铜网将要观测的纤维样品夹持固定，再用G2 20s-twin型高分辨透射电子显微镜观察纤维结构形貌.

1.7 红外光谱

采用尼高力NEXUS 670型红外－拉曼光谱仪，测定纯TSF纳米纤维以及不同质量比的HAP／TSF静电纺核壳结构纳米纤维的傅里叶红外光谱，分辨率为2cm－1，每个样品扫描100次.制备5.0 mg干燥纤维粉末和200mg KBr混合压片以用于红外光谱测试.

1.8 X射线衍射测试

纤维样品剪成粉末，采用 D／max-2550PC 18 kW型转靶X射线衍射仪在稳定条件下进行测定.测试条件：Ni滤波，Cu靶 Kα射线，管电压为40kV，管电流为40mA，扫描速度为2°／min，扫描范围为5°～45°.

2 结果与讨论

增加，但是随着HAP与TSF质量比的变化增加不明显，如HAP／TSF质量比由1∶2增加到1∶1和2∶1时，核壳结构纳米纤维直径仅从867.39nm增加到892.44和949.67nm，因而核壳结构纳米纤维与纯的TSF静电纺纳米纤维相比直径有显著增加，但HAP含量对核壳结构纳米纤维直径影响不大.随着HAP含量的变化，核壳结构纳米纤维直径CV值保持在0.2左右，因此，HAP含量对纤维直径CV值影响也不显著.由图3可知，不同质量比HAP／TSF纳米纤维均呈现一些粗节，主要是由于在静电纺丝过程中，有少量的HAP团聚，但对粗节数量的影响不大，这主要是因为在所纺质量比范围内皮层TSF能够很好地包覆芯层HAP.

图3 纯TSF及不同质量比的HAP／TSF核壳结构 纳米纤维扫描电镜图Fig.3 SEM images of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

2.1 扫描电镜

图3和4分别为纯TSF纳米纤维以及不同质量比（mHAP∶mTSF）的HAP／TSF静电纺核壳结构纳米纤维的扫描电镜图及纳米纤维直径分布图.由图3和4可知，纯的TSF静电纺纳米纤维形貌为稍扁柱状，纤维直径为300～500nm，直径分布较为均匀.添加HAP制备不同质量比的纳米纤维，与纯的TSF静电纺纳米纤维相比，核壳结构纳米纤维直径显著增加，由400nm直接增加到900nm左右，形貌呈现稍扁平状.在所纺的质量比范围内，作为芯层的HAP含量的增加会导致核壳结构纳米纤维直径的

图4 纯TSF与不同质量比的HAP／TSF核壳结构纳米纤维直径分布图Fig.4 The diameter distribution of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

图5 不同质量比的HAP／TSF核壳结构纳米纤维透射电镜图Fig.5 TEM images of HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

2.2 透射电镜

不同质量比的HAP／TSF静电纺纳米纤维的透射电镜图如图5所示.由图5可知，核壳结构纳米纤维呈现了明显的皮芯结构，有机的TSF显示为皮层，无机的HAP显示为芯层.随着mHAP：mTSF的逐渐减小，皮层的厚度逐渐增加，芯层的厚度逐渐减小.在所纺的质量比范围内，皮层TSF能够很好地包覆芯层HAP.天然骨为有机和无机的纳米复合材料，无机的主要成分为HAP，有机的主要成分为胶原蛋白，本文制备了有机／无机相核壳结构纳米纤维，与天然骨极其相似，为制备用于生物组织工程支架方面的丝素蛋白复合材料提供了参考.

2.3 红外光谱分析

如图6所示为纯的TSF纳米纤维以及不同质量比的HAP／TSF静电纺纳米纤维的红外光谱图.由图6（a）可知，纯的TSF纳米纤维在3 300cm－1处出现了羟基的吸收峰，在965cm－1处出现了较强的归属于丙丙肽链结构的特征吸收峰.酰胺Ⅰ的特征峰出现在1 650cm－1，这是归属于α－螺旋结构的特征吸收峰.酰胺Ⅱ谱带（1 600～1 480cm－1）归属于—C—N伸缩和—N—H变形的协同运动，1 240 cm－1处为酰胺Ⅲ吸收区域，显示的均是β－折叠结构的特征吸收峰，但波峰较弱，由此可见，β－折叠结构含量较少.

添加HAP后，两种质量比的HAP／TSF纳米纤维在波数为1 650，1 240，1 540cm－1处依然出现了分别归属于α－螺旋、β－折叠和无规卷曲结构的特征吸收峰，说明添加HAP对核壳结构纳米纤维构象影响不明显.在波数为1 093cm－1处出现了新的属于HAP中PO3－4的吸收峰，这说明所制备的核壳结构纤维中确实含有HAP.

图6 纯TSF以及不同质量比的HAP／TSF 核壳结构纳米纤维红外光谱图Fig.6 IR spectroscopy curves of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

2.4 X衍射分析

如图7所示为纯的TSF纳米纤维以及不同质量比的HAP／TSF静电纺纳米纤维的X衍射图.由图7可知，纯的TSF纳米纤维薄膜在2θ＝12.06°，23.50°出现了两个衍射峰.文献[8]研究发现，丝素Ⅰ的衍射峰主要出现在 2θ＝11.50°，12.20°，22.50°，23.50°，24.02°附近，丝素Ⅱ的衍射峰主要出现 在 2θ＝16.40°，16.71°，20.34°，30.90°，44.12°附近.因此，在2θ＝12.06°，23.50°处为丝素Ⅰ的特征峰，说明纯TSF纳米纤维中丝素的构象由α－螺旋为主和无规卷曲结构共同组成的.HAP／TSF核壳结构纳米纤维的两个主要的衍射峰也出现在2θ＝12.06°，23.50°附近，说明添加 HAP对TSF纳米纤维的结晶结构的影响不大，仍然由α－螺旋为主和无规卷曲结构共同组成，不过随着HAP／TSF质量比的增加，核壳结构纳米纤维膜的两个主要衍射峰的峰高有所降低.在2θ＝31.28°，33.64°，53.02°处分别出现了属于HAP的211，300，004晶面的衍射峰，表明核壳结构纤维中确实含有HAP，且随着mHAP∶mTSF的增加，属于HAP的衍射峰峰值均有所提高，表明核壳结构纳米纤维中HAP含量也增大，这是因为芯层HAP能够被皮层TSF很好地包埋.由此可见，X衍射分析结果与红外光谱分析结果一致.

图7 纯TSF以及不同质量比的HAP／TSF 核壳结构纳米纤维X衍射图Fig.7 X-diffraction curves of the pure TSF and HAP／TSF core-shell structure nanofibers of different mass ratio

3 结 语

本文利用柞蚕丝素水溶液，通过静电纺丝装置，制备出具有核壳结构的HAP／TSF同轴共纺纳米纤维.在所纺的质量比范围内，TSF出现丝素Ⅰ的晶型，核壳结构纳米纤维观察到归属于HAP的衍射峰.核壳结构纳米纤维呈现明显的皮芯结构，而且皮层TSF能够很好地包覆芯层HAP.核壳结构纳米纤维与天然骨的成分非常相似，而且均属于纳米级的.本文制备的核壳结构纳米纤维为模拟动物骨骼这类无机／有机纳米复合材料，以及进一步实行骨修复的动物或临床试验等提供基础.

参 考 文 献

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