生物材料失效分析分析.docx

1、生物材料失效分析分析SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY论文题目：淋巴靶向诊疗探针的制备及失效分析学生姓名： 姜杰 学生学号： 1140509107 专 业： 材料科学与工程学院 任课教师： 朱君 签 名： 生物材料失效分析 姜杰 学号:1140509107前言生物材料的定义很多,归纳起来可理解为生物材料是一类用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等多种医疗保健领域,对人体组织、血液不致产生不良影响的功能材料。研究生物材料涉及的学科领域很多,如材料、生物、医学、物理、生物化学及一些现代高技术等,相应的研究包括除生物与材料学科的评价方法外,还会有物理、化学及一些

2、工程的研究方法,并且,不同材料具体不同的功能或用途,决定了它具备多种不同的性能,这导致生物材料在其制备和使用的过程中将存在各种各样不同方面的失效情况。在这里，我们将讨论丝素蛋白基生物支架在制备、检测、使用时不同的失效情况。一、简介我们所说的生物材料一般指的是生物医学材料, 在人类不同的历史时期, 生物材料被赋予了不同的意义, 它的定义是随着生命科学和材料科学学科的不断发展而不断变化的的。但是不论哪个时期的生物材料都有一些共同的特征。即生物医学材料是一类人工或天然的材料, 可以单独或与药物一起制成部件、器件用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗保健领域, 同时在短期或长期的使用

3、期内不会对宿主引起急性或慢性危害1,2 。 生物材料的研发所涉及的领域众多，其中就包括材料学生物学、医学、物理学、生物化学等不同领域，作为生命科学与材料科学相交叉的边缘材料，在检测生物材料的实用性时，我们需要考虑到不同领域的不同性能。常见的生物材料的性能评价除了传统的表面形貌评价、成分测试外还包括细胞相容性测试、细胞毒性测试以及一系列不同材料所要求的不同指标。生物相容性要求生物材料不引起明显的临床反应以及能耐受宿主各系统的作用而保持相对稳定、不被破坏和排斥的生物学性质则为生物相容性良好3。细胞毒性测试则是指通过浸体液实验、直接接触实验或间接接触实验对被评价物品的细胞毒性作用和程度进行评价。除了

4、这些生物材料所必须经过的分析之外，根据所用的材料以及产物功能的不同，将进行不同的性能分析。 在本次的试验中，我们使用丝素蛋白作为材料，采用静电纺丝的制备工艺，制备了丝素蛋白基生物修复支架。静电纺丝是一种使聚合物溶液或熔体在高压静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝方法4(图一)。静电纺丝制得的纳米纤维膜在生物材料领域尅用作组织工程支架;作组织修复(如血管修复)材料;作三维的细胞培养膜;作药物控释包裹膜等等5。静电纺纳米纤维膜用作隔离膜能防止机体组织在愈合过程中相互粘连;同时还可用作创伤包敷材料。典型的静电纺丝装置主要由高压电源、溶液储存装置、喷射装置和接收装置四个部分所组成。在静电纺丝的

5、过程中，包括溶液性质、工艺条件、环境参数在内的13个参数都会影响最后制备得到的支架的形貌。其中表面电荷密度、固化距离、喷丝头内径、溶液松弛时间和粘度这5 个因素对射流半径影响最大，即对获得的纤维的形貌影响最大。其次，聚合物浓度、溶液的密度、扰动频率、电极、溶剂蒸发速率对其影响次之；空气湿度、表面张力和压力分布对其影响最小。在这一系列中的参数中，我们选用甲酸为溶液溶剂，保持其它参数不变，通过改变丝素蛋白溶液的浓度从而改变溶液的粘度，研究不同粘度下静电纺丝获得产物的结构的不同，并对不同结构的产物进行失效分析。图一 静电纺丝实验基本装置在成功制得所需要的结构的丝素蛋白支架后，我们对所得到的支架进行了

6、后期处理，以得到具有不同的二级结构的丝素蛋白基组织修复支架。丝素蛋白作为一种一种天然合成的高分子聚合物，来源广泛、获取简便、价格低廉，作为一种传统的农业产品，丝素作为手术缝线用于临床已有一百多年的历史。近年来，由于其低免疫原性、良好的生物相容性、缓慢的降解速度及特有的理化性质，丝素蛋白作为一种新的生物材料应用越来越受到关注。而且，通过多种方法改进、表面修饰等技术控制丝素蛋白的分子结构和形态，使得丝素蛋白在生物材料和组织工程领域的应用变得更为广泛。丝素蛋白作为一种蛋白质，与其他的蛋白质相同，也具有三种最为常见的不同的二级结构，分别为无规卷曲结构、螺旋结构以及折叠结构，除此以外，还包括310螺旋、

7、-螺旋等不同的二级结构6。现如今有越来越多的研究结果证明,蛋白的构象转变与生命活动中的许多活动都密切相关。就如近年来,通过研究我们发现可以导致人的克雅氏症以及动物的海绵脑病图二 丝素蛋白不同结晶形态示意图(如疯牛病)的阮病毒蛋白(Prion)在不致病时的正常细胞膜糖蛋白PrPC含40%的-螺旋结构,只含有3%-折叠结构,而致病的病毒蛋白PrPSc中的-折叠结构占43%的-折叠，而-螺旋结构的含量则降至30%7,8。因而研究蛋白质的构象转变条件以及不同结构与功能之间的关系等对于人类来说都有着十分重要的意义。有关动物蛋白纤维的研究表明,蚕丝、蜘蛛丝优良的力学性能与其构象有着密切的关系,蚕丝中日折叠

8、结构与纤维的强度相关,无规卷曲结构的含量则与蛋白纤维的弹性有关9,10丝素蛋白主要有两种不同结晶形态,分别称为型和型，为了与丝素蛋白中的-螺旋构象和-折叠构象区分开来,我们分别将他们称为silk I和silk II（图二）。其中，Silk I呈曲柄形分子链,其具体结构至今尚未完全研究清楚,目前的结论认为Silk I是由无规线圈结构和-螺旋结构组成的，而silk II则主要为-折叠结构,另外,在丝素水溶液与空气界面中,还有一种结晶形态,称为Silk III,呈三角形结构(三螺旋链构造)11。silk I和silk II在丝素蛋白应用的研究过程中具有重要的意义，例如，Silk I结构较多的丝素则水

9、溶性较好，Silk II结构较多的丝素相较之下则疏水性较好，这说明在人体中，因为水含量较多，因此，在人体中，Silk II结构较多的丝素蛋白更适于长时间使用；Silk I结构与丝素蛋白的韧性相关，而Silk II结构则与丝素蛋白的强度有关。本文中我们就上述两点：1）丝素蛋白基生物支架在制备工艺过程中的失效条件研究与分析；2）丝素蛋白基生物支架在使用过程中不同结构导致的不同后果的失效分析；两点设计实验进行分析。2、实验步骤 1、通过文献介绍的方法12制备得到了丝素蛋白水溶液，其浓度大约在7%左右，在将所得到的丝素蛋白溶液冻干后，我们获得了目标产物：再生丝素蛋白。 2、分别通过了不同的方式制备得到

10、了三种二级结构分布不同的丝素蛋白薄膜13,14，每个薄膜质量约为0.7g,随后我们对不同结构的丝素蛋白膜用红外进行了表征，证实我们制备得到了三种不同结构的丝素蛋白膜，随后通过利用一台万用拉伸机对获得的薄膜进行了力学强度测试，以获得三种薄膜各自不同的力学强度性能。 3、通过配置不同浓度的丝素蛋白甲酸溶液15，在外加点压和喷嘴到接受装置距离等其它参数一致的前提下，进行静电纺丝实验，并在后期通过SEM检测的方式对所得到的产物进行形貌表征。 4.对静电纺丝得到的支架进行不同的后处理，得到两种不同结构的丝素蛋白支架，将支架置于模拟体液中，并定时称重，测定两种结构的亲水性。图三 不同二级结构的丝素蛋白的F

11、TIR图谱三、实验结果讨论通过FTIR图谱（图三）中1600cm-1至1700cm-1范围内的吸收峰16，我们可以得知，在本实验中，我们已成功制备得到了三种二级结构组成不同的丝素蛋白薄膜，在FTIR图中，其中位于1647-1660cm-1的吸收峰属于-螺旋结构；而位于1615-1640cm-1的吸收峰则属于-折叠结构；位于1641-1646cm-1的吸收峰属于无规卷曲结构16。由于-螺旋结构在大气环境下极不稳定，在拉伸的过程中-螺旋结构很容易转化为无规卷曲结构或者-折叠结构，因此较难进行观察， (a) (b) (c) (d) (e)图四 不同浓度的丝素蛋白支架的SEM图因此在进行拉伸试验时，我

12、们主要对另外两种结构的力学性能进行了表征(表一)。从表一的结果我们可以知道无归结构和-折叠结构为主要结构的丝素蛋白膜其在断裂强度方面相差无几，大小都在左右；但与此同时，两种丝素蛋白膜的断裂拉伸率相差很大，-折叠结构为主的丝素蛋白膜的断裂拉伸率达到了要远远大于无归线团结构为主的丝素蛋白膜，这说明-折叠结构为主的丝素蛋白膜的韧性要远好于无规卷曲结构为主的丝素蛋白膜。以上结果说明，在实际的使用过程中，在受到相同大小的应力的情况下，-折叠结构为主的丝素蛋白支架失效的可能性要远远小于以无规卷曲结构为主的丝素蛋白支架。通过不同浓度的SEM图（图四），我们可以发现在浓度不同的情况下，通过静电纺丝得到的丝素蛋

13、白支架的形貌有极大不同，在甲酸浓度小于6%的情况下，我们可以发现所得到的丝素蛋白的形貌为不规则的圆球结构，而当丝素蛋白的浓度大于6%但小于12%的时候，虽然我们可以得到连续的丝素蛋白纤维，但可以发现丝素蛋白纤维当中存在着大量的串珠，这使得我们并不能得到连续均一的丝素蛋白支架，从而无法模拟出一种人体内细胞增长的组织结构，当丝素蛋白的浓度大于12%时，我们得到的是连续均匀的丝素蛋白纤维，即为我们的目标纤维。在制得所需的纤维之后，通过后处理，我们得到两种不同二级结构的丝素蛋白基组织修复支架。为了检测其在人体内的降解速率，我们将两种不同的支架置于模拟体液中，并定时测量两种支架的质量（表二），从结果我们

14、可以发现，相较于无规卷曲结构为主的丝素蛋白基支架，-折叠结构的质量损失更少，这说明-折叠结构可以使丝素蛋白在人体内具有更好的耐生物降解性，能够使丝素蛋白能够在更长的时间内在人体中发挥作用。也就是说以-折叠结构为主要结构的支架更适合长期在人体内使用。试样断裂强度（MPa)断裂伸长率（%）无规卷曲结构8.331.3345.8415.84-折叠结构8.241.86118.1129.9表一 不同结构的丝素蛋白膜力学性能表试样0d1d2d7d14d无规卷曲结构1.014g0.984g0.966g0.954g0.948g-折叠结构1.021g1.007g0.998g0.990g0.986g表二 丝素蛋白支

15、架水溶性质量测定表4、总结从本实验的结果，我们可以知道，在生物材料的制备、使用过程中都会因为各种各样不同的原因而发生失效。比如我们所制备的丝素蛋白基生物支架，在制备的过程中，因为静电纺丝制备工艺中的各种参数的改变，导致所得到的产物的形貌相差巨大，从实验结果我们可以知道，只有当丝素蛋白甲酸溶液的浓度在12%到15%的范围內时我们才能够得到我们目标要求的生物支架。而当溶液的浓度不在这个范围时，我们得到的支架可能出现串珠等不规则的结构，甚至不能得到连续的支架结构。因此我们可以得出这样的结论：在丝素蛋白基生物支架的制备过程中，由于制备的各种参数的改变都可能造成丝素蛋白基生物支架的制备过程中的失效。而在

16、成功制备了目标产物后，我们还要对所得到的产品进行合适的后处理，以得到所需要的二级结构的支架，通过实验结果我们可以得知相较于无规卷曲结构，-折叠结构的支架在人体内的降解率更低，力学性能也要更好。也就是说无规卷曲结构在使用的过程中更有可能失效。五、感谢 感谢上海交通大学材料科学与工程学院开设了这门课，让我有机会能够了解有关于材料制备与失效的知识，同时感谢上海纳米技术及应用国家工程研究中心给我们提供的课题和实验设备，以及感谢包括何丹农、朱君老师在内的所有纳米中心的老师给予我们的帮助。在这一学期的课程中，让我们学习到了很多有用的新知识。参考文献:1王迎军, 刘康时. 生物医学材料的研究与发展J .中国

17、陶瓷, 1998,34(5):26-29 .2 Black J.Marcel Dekker, Inc., C . New York :New York University Publication, 1992 .3李 瑞， 王青山. 生物材料生物相容性的评价方法和发展趋势J .中国组织工程研究与临床康复,2011,15(29):5471-5474.4李山山, 何素文. 静电纺丝的研究进展J .合成纤维工业, 2009, 32(4): 44-47.5杨恩龙, 王善元. 静电纺丝技术及其研究进展J. 产业用纺织品,2008, 7: 7-14.6Rohl C A, Doig A J. Models

18、for the310-helix/coil,helix-coil,and a-helix/310-helix/coilTransitions in Isolated PeptidesJ. Protein sci, 1995, (5): 1678-1696.7黄银霞, 董小平. PrPC转化成PrPSc的影响因素研究进展J. 国外医学病毒学分册, 2005, 12(3): 87-90.8Horwich A L, Weissman J S. Deadly conformations一protein mistolding in prion diseaseJ. Cell,1997, 89: 499-5

19、10.9Lynn W Jelinski. Establishing the relationship between structure and mechanical function insilksJ. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 1998, (3): 237-245.10Perez-Rigueiro J, Viney C, Llorca J, et al. Mechanical Properties of silkworm in liquidmediaJ. Polymer, 2000, 41: 8433-843

20、9.11Kazushi Yamada, Yasuyuki Tsuboi, Akira Itaya. AFM observation of silk fibroin on mica substrates:Morphologies reflecting the second structureJ. Thin Solid Film, 2003, 440(l-2): 205-216.12傅师申, 陈铁楼, 阳道允, 等. CaCl2法丝素溶解工艺的研究J. 丝绸, 1999, 8(1): 31-33.13Tsukada,M.StructuralChangesofSilkFibroinMembranes

21、InducedbyImmersioninMethanolAqueousSolutions.J.JournalofPolymerScience:PartB:PolymerPhysics,1994,32: 961-968.14Zhao, CH, Yao, JM, Masuda, H. Structural Characterization and Artificial Fiber Formation of Bombyx mori Silk Fibroin in Hexafluoro-Iso-Propanol Solvent System.J. Biopolymers, 2003, 69: 2532

22、59.15Zhi Liu; Feng Zhang; Jinfa Ming. Preparation of electrospun silk fibroin nanofibers from solutions containing native silk fibrils.J. Journal of Applied Polymer Science. 2015, 132(1): 4123616Byler D M, Susi H. Examination of the secondary structure of proteins by deconvolved FTIR spectra.J. Biopolymers, 1986, 25(2):469-487.