《Colloid Surface B》东华大学张耀鹏：高强、导电、抗菌丝素蛋白复合组织工程支架

发布时间：2023-04-13浏览次数：72

再生丝素蛋白（RSF）具有良好的生物相容性和可降解性，是一种具有广阔应用前景的天然高分子材料。氧化石墨烯（GO）表面富含羟基和羧基等含氧官能团，能与两亲性的丝素蛋白分子发生相互作用并形成分子间氢键，使其在丝素蛋白溶液中具有良好的分散性。通过将RSF与GO复合，可有效改善丝素蛋白材料的性能。目前，二者的复合体系已被加工为纤维、薄膜、凝胶等多种形式，且均表现出了优良的力学性能和生物学性能。然而，GO导电性较差，在一定程度上限制了复合材料在组织工程上的广泛应用，为此，研究者们改用导电性优异的石墨烯（Gr）或还原氧化石墨烯（RGO）与RSF复合。通过静电纺丝所得到的RSF复合纤维虽然导电性有所提高，但由于Gr或RGO分散性较差、易团聚，使得复合纤维易产生粘连或呈现圆珠状，即纤维表面形貌较差，不利于细胞粘附和增殖。


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图1. 再生丝素蛋白/还原氧化石墨烯复合纤维支架制备示意图


针对上述问题，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、范苏娜团队首先将GO与RSF共混，利用GO在RSF中具有良好分散性，通过静电纺丝制备表面形貌良好的RSF/GO复合纤维支架。随后采用原位还原的策略，对RSF/GO纤维进行水热处理，使纤维中的GO还原形成RGO，以此改善纤维支架电学性能。研究结果表明，该方法所制备的RSF/RGO支架不仅表面形貌良好，而且力学性能优异（当RGO/RSF=1.5/100，杨氏模量达到(122.7 ± 3.1) MPa，相比纯RSF纤维支架，提高了约605%），达到了骨组织支架力学性能要求。同时，该支架表现出一定的导电性，与共混法制备的RSF/ Gr支架相比，其表面方块电阻更小。体外细胞培养实验表明，该支架能够更好地促进细胞的铺展和生长。另外，与RSF/GO和RSF/Gr支架相比，该支架的抗菌性能更为优异，其中对金黄色葡萄球菌的抗菌率为98.6%，对大肠杆菌的抗菌率为84.9%。

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图2 雪旺细胞在RSF/RGO支架和各类RSF复合支架上的增殖情况

 

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图3 RSF复合支架的抗菌性能，左：金黄色葡萄球菌，右：大肠杆菌

(a, e) RSF, (b, f) RSF/GO-1%, 

(c,g) RSF/RGO-1%, (d,h)RSF/Gr-1%


本工作的亮点：1）通过水热法得到了RGO均匀分散，且表面相貌良好的RSF/RGO复合纤维支架；2）对比和研究了不同石墨烯粒子（Gr，GO和RGO）对RSF材料结构和性能的影响；3）所制备的RSF/RGO复合纤维支架表现出一定的导电性，并具有良好的生物相容性和抗菌性。

相关研究成果以题为Silk Fibroin/Reduced Graphene Oxide Composite Mats with EnhancedMechanical Properties and Conductivity for Tissue Engineering日前发表在《Colloidsand Surfaces B：Biointerfaces》，该论文共同第一作者为淮阴工学院青年教师张超和王心如，共同通讯作者为东华大学张耀鹏教授，嘉兴学院兰平教授和山东大学曹成波教授。


原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927776520308006