前景广阔!科学家研发新的热处理方法实现再生蚕丝热塑成型

  怀抱温暖       

12月19日,记者了解到,美国塔夫茨大学的David L. Kaplan、李春梅等在国际著名期刊《Nature Materials》上在线发表了名为“Thermoplastic moulding of regenerated silk”的文章。第一作者为:郭成辰。

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蚕丝是一种半结晶的生物聚合物材料,由β折叠形成的结晶区嵌在无规卷曲形成的无序相中,β折叠中形成的氢键网络为蚕丝提供了较强的力学性能。蚕丝通常以纤维形式出现,并具有出色的力学性能。目前,蚕丝的应用也由传统的纺织领域扩展到各类新兴领域。其在生物医学中的应用主要包括生物材料和支架的使用、药物递送,组织工程和再生医学等。

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对天然蚕丝结构和性能的早期研究表明,如果将蚕丝进行热处理,蚕丝中的β-折叠纳米晶体会在熔化之前降解。因此,丝基材料往往利用丝蛋白溶液衍生的方法制备,例如,通过用浓溴化锂溶液打破蚕丝纤维内氢键网络,从而将丝素蛋白溶解成丝蛋白溶液并进行重新处理,以生成新的材料形式,包括凝胶,薄膜,海绵,纤维和相关材料,但该方法受限于丝蛋白溶液的溶解度和溶液稳定度,加之制备成本高、生产效率低大大限制了丝基材料的应用。


文章报告了一种新的热处理方法,可以将再生的天然蚕丝直接转变为具有力学性能可调的坚固结构材料,同时具有良好的机械加工性,生物相容性和生物降解性。并且这种热处理方法步骤简便、成本较低,蛋白密度较高、功能材料选择性较高。通过较为传统的热加工处理,克服了基于溶液加工的局限性,为丝基材料的制备提供了新思路。


热处理过程首要步骤是制备非晶丝蛋白纳米小球,然后经过加热加压处理使得丝纳米材料致密化并融合成块状材料,制备过程如图1。通过结构设计,可以将丝基材料加工成棒、骨钉状或耳管状,这对于其在医学上的应用具有重要的意义。

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图1天然丝经过热处理形成丝基块体材料步骤


此外,合成的丝基块状材料与大多数天然结构材料(例如,木材)和某些合成聚合物相比,经加工的丝基块体材料比丝溶液衍生方法制备的的丝材料更坚固,力学性能更好。通过热分析实验证明了丝基块体材料具有良好的热成型性能和可加工性,可支持图案成型,热成型和机械加工(图2)。此外,通过调整加工条件,还可以调节热处理后的丝基材料的分子结构和物理性质,同时保留形成蛋白基医疗器械(如骨螺钉和耳管)所需的良好机加工性。

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图2:热塑性丝基材料的物理性能


研究人员将多种功能性分子(例如酶)作为掺杂剂掺入丝骨钉中,发现可以调控丝骨钉的降解速度。丝骨螺钉作为植入装置植入到大鼠的股骨中也显示出了良好的生物相容性,这为热塑性丝基材料在医疗器械中的应用提供了良好的应用前景(图3)。

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图3.功能性丝基材料的体外降解和体内生物相容性测试


作者简介:

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David L. Kaplan教授现任美国Tufts大学Stern Family Endowed终身荣誉教授,生物医学系主任兼化学工程系教授,美国国立卫生研究院(NIH)组织工程研究中心主任。在生物材料、组织工程研究领域,尤其是丝蛋白生物材料的研究领域有很深的造诣和极高的学术地位,承担多项美国国立卫生研究院、美国自然科学基金委的多项重大科研课题。在Nature杂志发表论文4篇,在Biomaterials、Biomicromolecular、Advanced Materials、Soft Materials、Tissue Engineering等高水平学术期刊发表论文400多篇,并同时担任Biomicromolecular副主编,Advanced Materials,Biomaterials,Tissue Engineering,Soft Materials等10多种高水平学术期刊编辑。已获得美国及世界专利20余项,并创办了三家以上高科技企业。


文章来源: 高分子科学前沿

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