疝修补片用再生丝素蛋白纳米纤维膜的制备与性能探讨

陈小菊 沈嘉丽 张佩华

1. 常州市康蒂娜医疗科技有限公司(中国) 2. 东华大学 纺织学院(中国)

疝气是威胁人类腹壁健康的一种常见疾病，中国每年因疝气而产生的手术治疗病例数量超100万例[1]。在众多治疗方案中，无张力修补手术能够有效治疗疝气，同时大幅降低疝气复发的概率。疝修补片作为修补手术的基体材料，已广泛应用于各类疝气手术中，可有效控制疝气的发生与反复发作[2]。然而，由于疝修补片的结构各异，且在人体内使用的过程中易发生“新生腹膜化”作用，造成补片材料与机体器官间黏连，这给疾病的治疗带来了巨大的困难[3]。

静电纺纳米纤维因其高孔隙率、大比表面积和强吸附能力等优势，在复合型功能疝修补片材料领域有较大的应用前景[4]。近年来，再生丝素蛋白(regenerated silk fibroin， RSF)作为一种具有良好生物相容性和生物可降解性的天然蛋白质材料，在生物医用纺织品领域，如：疝修补片、血管支架、人工肌肉等方面，引起人们的广泛关注[5-6]。RSF纳米纤维膜也逐渐成为疝修补片防黏连功能层的热门材料[7]。然而，目前常用的RSF纳米纤维膜仍存在力学性能不足、热力学性能不稳定等问题。

本文基于静电纺丝技术，制备含不同质量分数RSF的纳米纤维膜，并测量所得纤维膜试样的表观形貌、拉伸性能与热力学性能，以优化RSF的添加量。研究为高品质疝修补片用RSF纳米纤维膜的开发提供参考。

1 试验

1.1 试验材料与设备

试验材料：蚕茧，京裕成实验设备有限公司；尿素，上海易势化工有限公司；无水溴化锂，上海易势化工有限公司；甲酸，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

试验设备：扫描电子显微镜，TM3000型；傅里叶变换近红外光谱仪，Antaris Ⅱ型；医用纺织品多功能强力仪，YG(B)026h-500型；静电纺丝推进器，KDS100型，美国Scientific公司。

1.2 RSF的提取与制备

RSF的提取与制备过程如图1所示。RSF的提取过程可分为蚕茧的物理处理、脱胶、溶解、透析和冻干5个阶段。其中，蚕茧的物理处理主要是采用剪刀等工具将蚕茧剪成小碎片，以利于在下一步与尿素溶液充分结合；脱胶的主要目的是去除蚕丝表面的丝胶，但不破坏丝素本身的分子结构；溶解是为了将丝素大分子降解为小分子；透析的目的是获取纯净的再生丝素蛋白纤维；冻干的目的是获取丝素蛋白成品。

图1 RSF的提取与制备过程

1.3 RSF纳米纤维膜的制备

以甲酸为溶剂，配制RSF质量分数分别为12%、 14%、 15%和17%的RSF溶液，并在常温下搅拌，直至气泡完全消除后进行静电纺丝。根据前期试验，当纺丝电压为15 kV、纺丝接收距离为18 cm、纺丝速度为1 mL/h时，纳米纤维的成型性较好。本文选择上述纺丝工艺参数制备RSF纳米纤维膜试样。

1.4 性能测试与表征

1.4.1 表观形态

采用TM3000型扫描电子显微镜(SEM)观察RSF纳米纤维膜试样的表观形态。

1.4.2 红外光谱分析

在KBr作用下，将RSF纳米纤维膜研磨成细小的粉末，然后将其放置于傅里叶变换红外光谱仪中，进行红外光谱分析。

1.4.3 拉伸性能

在RSF纳米纤维膜上均匀地剪取尺寸为0.5 cm×3.0 cm的矩形试样各5块，采用医用纺织品多功能强力仪测试矩形试样的拉伸强度，设定隔距为10 mm，拉伸速度为5 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 表观形貌

不同RSF质量分数下制得的RSF纳米纤维膜的SEM图如图2所示。由图2可以看出，RSF质量分数不同，所得RSF纳米纤维膜的表观形态存在较大的差异。当RSF质量分数为12%时，纤维成丝性能较差，且出现明显的串珠现象。原因是纺丝液浓度较低时，分子链之间未形成足够的缠结，因此得到的纤维上带有聚合物颗粒，表现为非连续成丝状态的纤维。此外，因RSF质量分数小，溶液的黏度相对较小，这同样影响射流的连续性。当RSF质量分数达14%时，纤维上的聚合物颗粒消失，但成丝状态不好的情况仍然存在。当RSF质量分数为15%时，形成的纤维连续而均匀。当RSF质量分数继续增大至17%时，溶液的黏度过大，纺丝过程较困难，甚至出现堵塞针头的情况。因此可认为，RSF质量分数为15%时，制得的RSF纳米纤维膜表观形貌最佳，所得纳米纤维的直径也最均匀。

图2 不同RSF质量分数下所得RSF纳米纤维膜的SEM图

2.2 红外光谱分析

不同RSF质量分数下制备的RSF纳米纤维膜的红外光谱如图3所示。由图3可以看出，RSF质量分数不同，所得RSF纳米纤维膜的红外光谱曲线差异不大。在波长为1 627.54 cm-1和1 628.25 cm-1处，RSF纳米纤维膜试样呈现出丝素蛋白酰胺Ⅰ中β-折叠链的特征吸收峰；在波长为1 628.75 cm-1和1 647.51 cm-1处，RSF纳米纤维膜试样呈现出酰胺Ⅰ中无规卷曲和α-螺旋的特征吸收峰。这表明，制得的RSF纳米纤维膜具备较典型的再生丝素蛋白特性。当RSF质量分数为15%时，纤维基团的极性最强，表明此时RSF纳米纤维膜的稳定性最好。

图3 不同RSF质量分数下所得RSF纳米纤维膜的红外光谱图

2.3 拉伸性能

不同RSF质量分数下制得的RSF纳米纤维膜的拉伸性能曲线如图4所示。由图4可知，RSF质量分数不同，所得RSF纳米纤维膜的拉伸性能差异较大。RSF质量分数为12%时，所得RSF纳米纤维膜试样的成型性较差，其拉伸强度过低，力学曲线难以显示，故图4未给出RSF质量分数为12%时所得纳米纤维膜的拉伸性能曲线。此时，制得的RSF纳米纤维膜也明显不适于疝修补片功能层的应用。总体而言，随着RSF质量分数的增大，RSF纳米纤维膜试样的拉伸强度先增大后减小，当RSF质量分数为15%时，试样的拉伸强度最高。原因是当RSF质量分数较小时，不易形成均匀的纳米纤维膜，因此强度较小；当RSF质量分数过大时，纺丝液的黏度过大，易造成纺丝困难，导致纳米纤维膜的强度下降。

图4 不同RSF质量分数下所得RSF纳米纤维膜的拉伸性能曲线

3 结论

本文通过碱液提取法制备出纯净的再生丝素蛋白(RSF)。然后，配制RSF质量分数分别为12%、14%、15%和17%的溶液，再利用静电纺丝技术纺制不同RSF质量分数的RSF纳米纤维膜。对所得纳米纤维膜进行表观形态观察、红外光谱分析与拉伸性能测试。结果显示：当RSF质量分数为15%时，所得纳米纤维膜的表观形貌较好、特征吸收峰明显，纤维直径均匀，并且纤维膜的稳定性好、拉伸强度高，具备应用于疝修补片功能层的潜力。