硕士学位论文-丝素膜的共混改性研究.pdf

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及冷冻温度对膜结构和性能的影响 。 指出戊二醛对共混多孔膜具有明显的交联作用膜内丝 素与明胶的相容性较好通过与明胶共混 , 能够改善多孔丝素膜的拉伸性能 。 关键词丝素膜改性聚氨酷明胶 作者 指导教师 杨华 李明忠朱明宝 丛丝红丝旦雌 场吧 , 功 , 五 权 免 叭吧犷 一 势盯 从傲 犷叮 洲时 , 址冷加正 一 别吧瓜】 丫 五 一 叫 五 一 劝 沈叮 罗 一一, 即 、 叭认飞 , 止 曲 、 , 五 一勿 一, 叨 、 一 川优 住甘 州 , 切 , 、 诚 勿 幼 夕 目录 引言 , 丝素蛋白结构的研究概况 丝蛋白生物材料的研究 丝素膜改性研究 目前丝素蛋白用于生物材料的主要研究课题 本课题的研究目的与内容 材料与方法 巧 丝素溶液的制备 共棍改性丝素膜的制备 共混改性丝素膜的结构分析 , 共混改性丝素膜的物理性能测试 , 结果与讨论 丝素聚氨醋共混致密膜 ” 丝素 聚氨酷共混致密膜的结构 丝素 聚氨酪共混致密膜的物理性能 丝素 明胶共混致密膜 丝素明胶致密膜的物理性能 , 丝素明胶致密膜的结构 明胶丝素共混多孔膜 明胶丝素共混多孔膜的性能 明胶丝素共棍多孔膜的结构 结论 ” 一 致谢 “ 参考文献 攻读学位期间公开发表的论文 哎 丝素膜的共混改性研究引 言 日 雀 刁 丝素蛋白结构的研究概况 早在六千多年前人类就开始将蚕丝等天然纤维用于纺织 , 直到十九世纪末 , 纺织仍都是使用天然纤维 。 虽然棉 、 麻 、 毛纤维的来源丰富 , 但作为长丝的蚕丝 纤维诸多优 良性质是它们所不具备的 。 其不同寻常的特性来源于丝素蛋 白的物理 化学性能 , 这种蛋白质几乎组成了丝纤维的全部 。 丝素蛋白是在蚕的绢丝腺中被大 量合成的 , 包括被二硫键相连的两种多肤 , 比较大的重链富含甘氨酸 , 而且大多数 序列是 一 的重复单元 。 丝纤维因为早在年完成的 一射线衍射实 验而广为人知 。 一射线衍射 图说明丝素是一个打褶的 一折叠片结构 , 它帮助鲍 林和科里定义了这种类型为二级结构 , 。 丝素蛋白重链的序列及组成 在对丝素蛋 白的上述早期研究和等 进行了研究综述之后 , 相当长时 间内丝素蛋白曾未被生物化学家们关注 。 现在研究者己经测定了的轻链序 列 , 一个短内含子片断以及一个重链的 一末端的 个氨基酸残基序列 司 。 轻链通 过一个二硫键连接到重链上 , 具有一个标准的氨基酸组成和一个非重复序列 。 它在 纤维中只扮演一个次要的角色 。 重链完整的氨基酸序列现在已从家蚕基因中一个 一 的碎片中被推论得 到 , 该片断含有一个 一 长的丝素蛋白基因编号为 。 该基因编码了含有个氨基酸残基的多肤链 , 其分子量为 , 该多肤链由的甘氨酸 , 的丙氨酸 , 的丝氨酸 , 的酪氨酸 , 的撷氨酸 , 以及的其他巧种氨基酸组成 。 大部分序列是低复杂度的 , 由 个 一 二肤重复单元组成 。 重复序列在鲍林 一科里模型中组成整个纤维的 一层的模体 。 这个氨基酸序列包含有很长且高度伸展的重复序列 , 通常称为 蚕丝丝素蛋 白的 “ 结晶 ” 成份 , 肯定会产生一定的 一衍射图案 。 残基中含有的 丙氨酸为 , 丝氨酸为 , 酪氨酸为 , 撷氨酸为 , 苏氨酸为 。 实质 上另外种氨基酸类型没有出现在重复序列中 。 有的二肤重复单元的第一 位置是丙氨酸而不是甘氨酸 , 这几乎仅仅发生在从四肤重复单元结构中 , 这种 四肤单元结构重复了次 。 另外有两个六肤结构 二 个拷贝 , 和 个拷贝 , 这两种六肤在低复杂区域共占 , 从部分序列知道了 他们的丰富程度 , 曾认为蚕丝蛋 白可能是完全由这些六肤组成的 。 图说明这是 不正确的 , 尽管这些六肤含量丰富 。 下面将要讨论丝素蛋白的更精细的基本结构 。 丝素膜的共混改性研究引 言 头部 , 卜 八 即竹 , 山 竹瑞以岭 侧 , 日认 沁 叮沁邢 沁 肠连接片段 稀 口 汀贾 , 连接片段 此况 贾 , 连接片段 戍“姗 连接片段 二 , 此 划以 , 二 连接片段 以邢 们俐 邢 连接片段 , 二 邢 , 连接片段连接片段 以胡邢弘 八 贾 , 二 沁 沁人仍 沁 邓 几 连接片段 八 阳 舰冷 化能戍 , 连接片段 邵 贾 , 二 一末端 , 连接片段 抑此 份 图丝素蛋 白重链个氨基酸残基组成的多肤链被分成域和子域阴 。 刮号中给出了第一残基在序列中的位置和每个区域的长度 。 黑体字表示的个残基在头 部和连接短肤内被重复 。 在子域中插入的一个残基 或三个残基也用黑体字标出 。 小写字母 , 以及表示不同的六肤重复序列 。 六肤的编码系列 以及拷贝数 二 个拷贝个拷贝 个拷贝个拷贝 丝素膜的共混改性研究引言 非重复序列或 “ 无定形 ” 片段 主要 由重复序列组成的多肤链被个连接短肤分成个不同的域图 。 不 同于这些区域 , 一末端 个残基 , 一末端的 个残基 , 以及在域与域之间起连接 作用的 一 个连接短肤是非重复的和 “ 无定形 ” 相对于 “ 结晶 ” 域的 。 一端片 段或头部具备一种标准的氨基酸组成 , 可能构成一个独立的球状结构单元 , 可 以构成 几个螺旋以及一个 一 折叠片 。 相关 的序列 一 同源可以在 以及柞蚕丝素蛋白的 一端被发现 图 , 后者的茧子在亚洲被用来生产 野蚕丝 。 柞蚕丝素蛋白完全不同于家蚕丝素蛋白 , 它形成另一种类型的纤维 , 由 个残基序列构成的多肤链 , 虽然也是低复杂度的 , 但是含有的丙氨酸比 甘氨酸多 。 。, , ,。, 。 ,。,。 , 二 , , , , 。, , 二 , ,肚。 二皿 皿组区理皿口 妞 习湘口叱田肛山皿田目 翻幽向牌 加爪度” 八叹以二闪铸份姗以,拟以恤扮以“导挤甲叩 ,欲匹甩,。目钱欲份口, 山 了里 创,傀, 以丫扣旧阴厅一一习国以口以场“ 。绷砚 取 的月跳理门脚州考日朋曲娜即肠 初以 ” 才 月叹,刀让,笼“沈汤翻中洛,阳。 月阅湘刘, 幻切目 ” 月, 剐 , , 。 , 田 ”“” , , , 冬 。 , ,。 且 自自 口绷肉阱 孙叉 日 润翻 加口 自 厄峨厄口翔困目玛 , 。, 二 , ,。,。 , 。 。 二 , 。 助吐国助目口翔目田目目国目日口旧 劝临成翻扣殊丽璐刀石戒叨目翻买巧咐 里见以阅翻万吕砚叨抑以翻 瓜肛拍叭爪创扮切肠 别口口改口口盆 勺份加以姗明献目呀月 了众灿洲幽周即丫目晚加甘砚 目众份翻口映叫和汕月翻阵场明 丫周口刘附笼爪 翻 , 一 , 一二 , 心 , 。 脚 的, 召旧厄 因吐皿 朋 盈灿句成山以印的洲 怕比冲六动挑岭 斌比份 ” 流附 图头部序列二级结构采用预测 , 丝素蛋 白的 一端序列分别来源于家蚕 , 浇 爬哪 , 以及柞蚕 伸展的螺旋的 家蚕丝素重链 一端 的个残基片段富含精氨酸 赖氨酸 , 而且缺少非亲水氨基 酸残基 , 不会形成球状结构 。 它含有三个半肤氨酸残基 , 可以形成两个二硫键 , 一个 丝素膜的共混改性研究引言 与丝素轻链相连 , 另一个形成分子内二硫键 。 个连接结晶区的片段几乎是由相同序 列组成的 , 它包括一个个残基的非重复序列多肤图中用黑体字标出 。 这个多肤 链打破了的交替而且是对结晶域的一个终结 。 它含有一个脯氨酸带电氨基酸残 基 , 以及唯一一个出现在丝素蛋白中的色氨酸残基 。 带电氨基酸残基完全没有出现 在结晶域中 。 在结晶域中的标点 如图所示 , 个结晶域分别用 一 表示 。 他们的平均长度是个残 基如果忽略的话长度很短 , 只有个残基 。 在一个域里面 , 的交替仅仅 被从四肤的出现偶然打乱 , 另外 , 在区域中 , 在位置插入的一个残基也打 乱 了这种交替 。 这个插入改变了交替的状态 , 也一定会扰乱 一折叠片的结构 。 与 之不同的是 , 从 四肤维持了这种结构 , 只是在结晶区域中引入了一种标点 。 在基 因中 , 所有的从四肤使用完全相同的个密码子编码 。 以为例 , 我们发现 这个区域的个残基可以分成六个子域 , 用 二 的六肤开始 , 被四肤 终止 。 这六个子域明显的彼此相关 , 而且很有可能整个域起源于子域的连续复制 。 相 同的子域模式可 以在区域和区域被看到 , 除了偶然的或会取代 从作为标点以外 如图 。 在基因中 , 这些四肤全部使用不同的密码子编码 , 域 也能被当做以结束的子域看 , 但是他们的序列是不同的 , 其中有四个子域缺 乏的重复序列 。 总的来说 , 重链包含约个子域 , 每个子域长度约为 个氨基酸残基 。 明显地 , 以个氨基酸残基来划分的蛋白质序列在水平也出现 , 可以观察到的重复序列 , 可能正好是一个核小体的大小 。 蚕丝结构的一个模型 基于 一射线衍射图和丝素蛋 白奇特的氨基酸组成 , 鲍林 、 科里以及他们的合作者 认为蚕丝纤维是由反平行 一折叠层的层层叠加而成的 。 一链沿纤维轴 向伸展 , 产生 一个埃的 、 含有两个多肤的重复单元 。 衍射图在蚕丝纤维轴的垂直方向上也存在 一个埃的重复单位 , 它可 以解释为在反平行 一层 内一链之间距离的两倍 , 以及 一层之间距离的两倍 。 克里克与肯德鲁对鲍林 一科里模型做过详细的描述 , 他们注意 到这样一个事实在一个由 一 重复序列组成的 一链中 , 所有的非甘氨酸 残基在日 一层 中排列在同一侧 。 一层在相互重叠时甘氨酸的一面与丙氨酸 丝氨酸的 一面交替出现 。 第一种包装重叠方式产生的层间距较短 , 为 一 埃第二种重叠 方式产生的层间距较长 , 为 一 埃 。 这种重叠类型后来在聚 一 甘氨酸 一丙氨酸 的结晶中被观察到了 。 丝素膜的共混改性研究引言 鲍林 一科里模型在最近关于家蚕丝 素纤维衍射图的研究中受到了挑战 。 为了试图 解释衍射强度分布 , 及其同仁对 一链和一层的四种组装方式进行了测试 。 同一日 一层 内的 一链 , 相互之间既可以是平行的也可以是反平行的 , 他们的侧链可能 在同一个方向极化模式或者上下交替出现反极化模式 。 按照这一规则 , 鲍林 一科里模型是极化一反平行的 。 假定丝素仅由聚 一 甘氨酸 一丙氨酸 组成 , 则拟合结果 将恰好对应于个衍射强度组 。 然而 , 作者进一步考虑到干扰以及丝氨酸的出现计 算了其他几种类型的组装产生的衍射图 , 结果显示他们对应于一种反极化 一反平行模 型 , 其中丙氨酸丝氨酸侧链交替上下指向 一层的垂直方向。 作为反极化 一层 , 没 有一个仅仅是由甘氨酸组成的面 , 他们重叠方式的规整性要比鲍林 一科里模型差 。 这 种对衍射数据的拟合仰赖于许多的假定 , 例如 , 就氨基酸序列来说 , 没有一种交替模 型能被完全地排除在外 。 重链的折叠 不管是在理论上还是在事实上 , 折叠一个个残基的多肤链肯定需要好几步 。 实际的序列说明不可能将整个丝素蛋白分子全部用 一层模型拟合 , 但是这种模型对 结晶区域好像是可行的 , 是能够形成一些 一层的大单位 。 我们认为每个子域形成一 个 一链 , 有个残基或埃长 , 通过一个四肤从边界形成一个 一转角连接到 下一个 一链 。 这些 一链比在球状蛋 白质很少超过个残基中长很多 , 但是蚕 丝强的衍射图暗示了一种长的 一链 。 一个结晶区域可能包含一个 一层或两个一层 两者在头部组装 。 后者更有可能在 , 和中出现 , 他们 包含六个或更多个子域 。 这些区域的每一个都可以构成双层的由三条 一链组成的 层 , 其尺寸大小约为埃 。 然后丝素蛋白链 内或链间的结晶区域可以通过 肩并肩或者层叠层的方式形成更厚 、 更宽的结构 。 下个问题是极性的 一链和一层 。 子域中观察到的严格的交替暗示了一种强烈 的选择压力 , 抵抗甘氨酸被取代 。 这在极化模式中更容易理解 , 其中的 一层要求出现 完全没有侧链的一面 , 而不同于非极化模式侧链可 以在两面 出现 。 另一方面 , 序 列有明显的从 一到一 的方向性 , 重复序列出现在 一端子域中 , 而靠近 一末端 出 现比较稀有的酪氨酸 , 撷氨酸和苏氨酸残基 。 在一个反极化 一层模式中 , 一条日 链末端一般是那些大侧链氨基酸残基组成的 一层 , 而相邻的 一链出现在相反的另一 端 。 另一方面 , 一个极化 一平行模式在一层的一端汇集 了所有的六肤 , 而所有 的大侧链在另一端聚集 , 则可 以预期形成一种规整的组装 。 一种把一个蛋白质 自然折叠进一个平行 一层的方法是建立一个双层螺线管结构 , 丝素膜的共混改性研究引言 相邻的 一链在顶层与底层交替出现 。 这种通过多肤链折叠使分子尺寸趋于最小的折 叠方式 , 在各种球状蛋白中是极为常见的 。 在蚕丝丝素蛋白的衍射图中观察到的两个 一链的横向重复是与平行一层相反 的 , 因为他们的重复单位是单一的 一链 。 然而 , 严格来说 , 只有聚 一 丙氨酸 一甘氨酸 是单股链的重复 。 在蛋白质实际序列中 , 丝氨酸 和酪氨酸比较大的侧链在空间的分布可能解释这种比较大的晶胞 。 丝素蛋白衍射图在 小角度上一些不能归属于聚 一 丙氨酸 一甘氨酸 晶胞的弱反射 , 可以归属于在 六肤中丝氨酸的出现 。 综上所述 , 一 交替出现是家蚕丝素蛋白重链序列的一个显著特征 , 它的持续 形成了一个伸展长链以构成结晶区域 。 虽然这种交替是鲍林 一科里模型的基础 , 但是这 一模型不易适应于实际的序列 。 建立一个结晶区域以及他们组成纤维的模型 , 将需要 更多的实验信息而并不仅仅依赖于纤维的衍射图 。 丝蛋白生物材料的研究 概况 由于蚕丝丝素蛋白在有关生物领域的应用前景被看好 , 对它形态及结构的研究也 随之增多 。 蚕丝纤维因其与人体活组织的生物相容性良好 , 己长期被用作外科手术缝 合线 , 此外 , 它还能被用作生物传感器中的酶固定载体 。 对蚕丝结构的进一步理解有 助于蚕丝新用途的研究和开发 , 例如透氧膜和生物相容性材料 。 以蚕丝为主要成分的 膜是与软组织相容性良好的聚合物 。 以杆状病毒为载体的家蚕转基因使目标序列发生 特殊转变成为可能 。 在强启动子 , 例如丝素蛋白启动子作用下 , 外源基因下游的同源 重组 , 可能在蚕体内产生有用的结构蛋白 , 或对丝蛋白进行改性 。 通过控制后部丝腺 的丝素 , 丝素蛋白和绿色荧光蛋白构成的一种嵌和蛋白在蚕体内得到表达 , 且这一基 因工程产品做成了蚕茧 。 这一基因打靶技术将改善和提高丝蛋白的理化性能 。 “ 丝 ” 这个术语是指由数个系列的鳞翅类和节足动物门物种纺出来的长丝 , 用来 建造身体外构筑物 , 例如蚕茧和蜘蛛网 。 然而 , 只有来 自于蚕幼虫的丝 , 如家蚕和几 种野蚕的丝才是纺织纤维的实际重要来源 。 在天然和合成纤维中 , 丝以其杰出的性能出类拔萃 , 如吸湿性好 , 保暖性强 , 易于加工 , 光泽柔和 , 舒适性好及通过印染能获得鲜艳的颜色等 。 然而 , 丝用于纺织方面仍存在一些不足抗皱性 , 耐磨性 , 固色性 , 洗涤及服用 特性 , 见光泛黄 , 这些都严重限制了它普遍使用 。 此外 , 对更易保养和具有更好服 用性能的服装材料的追求和开发新的纺织产品来扩大丝的消耗量都突显 了研究新的 丝素膜的共混改性研究引言 后整理技术的重要性 。 桑蚕丝和柞蚕丝的化学结构中主要含甘氨酸和丙氨酸两种氨基酸残基 , , , 它们约 占蛋白质总量的 。 野蚕丝中甘氨酸的含量比家蚕丝要高 , 这就导致了两种丝 在一级结构上的显著不同 。 家蚕丝蛋白的结晶区中含有很多重复序列一甘氨酸一丙氨酸一甘氨酸一 。 一 , 其中丝氨酸或酪氨酸 , 而野蚕丝蛋 白结晶区中主要是一丙氨酸 广 。 组成非晶区的大部分是较大侧伸链和极性的氨基酸残基 , 这在野蚕丝素蛋白的非晶区 更为突出 。 结晶区和非晶区的科学信息非常重要 , 因为丝纤维的拉伸性质主要取决于 结晶区的结构 , 而物理性质 , 如回潮率 、 可染性及抗化学试剂的性质均取决于非晶区 。 根据射线衍射的研究结果 , 在家蚕和野蚕丝纤维中 , 主要的结晶结构形态是反 平行的 一层 。 似乎无序的非晶区在决定纺织纤维加工过程中丝纤维的行为起主要作用 。 进一 步 , 我们可以假定 , 家蚕和野蚕丝在微观结构上的不同主要来 自于非晶区中丝素蛋白 链的排列方式及相互作用的不同 。 丝蛋白的性质 从工业用材料的角度来看 , 丝蛋白与其它天然生物聚合物相比有如下的杰出特 性 由蚕即可得到纯的丝蛋白家蚕丝纤维能溶解于一定温度的中性盐的浓溶液中 , 如氯化钙中 , 而无须使用有害的还原剂 , 用水透析后便能得到纯丝素蛋白溶液蚕 丝可以随时随地通过对蚕使用人工饲料来得到 , 此饲料己由国际蚕丝业及昆虫学研究 会开发并商业化各种形式的丝蛋白 , 如丝粉 、 丝凝胶和丝膜都可通过控制丝素蛋 白溶液的干燥方式和干燥速度来得到丝蛋白在醇类溶液中难溶 , 此特性有助于丝 素蛋白用作生物材料 , 因为这种溶剂对活组织无害 利用非晶区中有化学活性的部 位 , 如碱性氨基酸和酸性氨基酸残基 , 可以对丝进行化学改性 。 丝素蛋白溶液的制备 制备丝素蛋 白水溶液有两种方法 , 一是在水中使绢丝液与熟蚕的后绢丝腺分离 二是在一定温度下把脱胶的丝纤维溶于中性盐的浓溶液中 。 澳化铿在这些盐中是使用 最方便的 , 它对丝纤维的溶解能力很强 , 同时可 以采用蒸馏水透析再生 。 这样 , 能在室温下通过浇铸到适当的基质上制得丝素膜 。 要溶解角蛋白纤维 , 例如羊毛 , 需要使用强还原剂来破坏其中的双硫键 。 丝纤维 中实际不含双硫键 , 这就是为什么溶解丝纤维不必用还原剂的原因 。 丝纤维能在温和 丝素膜的共混改性研究引 言 而不使用任何有害还原剂的条件下被溶解是它的杰出特性之一 。 丝蛋白新生物材料 家蚕丝素是最丰富的天然纤维资源之一 , 容易获得且价格便宜 。 近来 , 由于丝素 蛋 白在相关生物领域的应用前景被看好 , 对它形态及结构的研究也随之增多 。 蚕丝纤 维因其与人体活组织的生物相容性良好 , 己长期被用作外科手术缝合线 , 还可被用作 生物传感器中酶的固定化载体 。 同时 , 能否被用作血液相容材料目前也正在试验中 。 对蚕丝结构的进一步理解有助于蚕丝新用途的研究和开发 , 例如透氧膜和有不同医学 用途的生物相容性材料 。 蚕丝被用于非纺织领域的典型例子是手术缝合线 , 因为它有 很好的生物相容性和拉伸性能 , 尤其是由很高的断裂强度 。 日本市场上所出售的丝线 现有用于外科 。 透氧性材料 ”, 研究丝素蛋白膜的透氧性是试图将它用于隐形眼镜 。 透氧系数随温度升高而增 大 。 在大约 时每条曲线上都会出现转折点 。 同样温度下 , 染料扩散和对丝素蛋 白膜的葡萄糖渗透的阿累尼乌斯曲线上也会出现转折点 。 值得注意的是 , 经甲醛浸溃 处理分钟的膜透氧系数在所有温度下的值均为最小 。 为了解释此现象 , 研究了丝 素蛋白膜中的含水量 。 浸渍处理超过分钟的膜含水量在 一 之间 。 浸渍分钟 的膜含水量最小 , 同时透氧系数也最小 。 显然 , 透氧系数的值与膜的含水量有关 。 对 丝素蛋白膜的透氧系数与含水量之间的关系进行了研究 , 同时还与另外几种水凝胶 膜 , 包括 一轻乙基 甲基丙烯酸和人工合成多肤膜进行了比较 。 浸渍时间较短的丝素 蛋白膜的透氧性与水凝胶膜相似 , 它们含有等量水分 , 而这些水凝胶膜是用作隐形眼 镜的 。 考虑到低含水量情况下的透氧性 , 丝素蛋 白膜要好于多肤膜 , 它通常用于软性 隐形眼镜材料 。 丝蛋 白用于隐形眼镜材料的原因在于它的高透氧性 , 良好的生物相容 性和视觉特性 。 二 人工皮肤 影响人工皮肤和烧伤敷料好坏最重要的因素之一便是水汽渗透性 。 由膜渗透曲线 可 以计算出透湿率 , 用甲醛处理分钟和分钟的膜 , 透湿率分别是和 千克 米 一, 天 一, 这些值远大于正常皮肤的水汽蒸发速率 , 所以丝素蛋白膜能被用作 烧伤敷料 。 作为一种软组织相容性聚合物 , 丝素材料可满足不同生物医学要求 , 如用 作人工皮肤 、 角膜 、 键 、 人工器官的修补和药物载体等 。 酶固定化载体 丝素蛋白适于固定酶及活细胞 , 原因在于它特殊的分子结构能很好地平衡亲水和 丝素膜的共混改性研究引言 疏水特性 。 且用溶解的丝素蛋白能制备出大量不同形式和形状的样品 , 包括粉 、 纤维 状材料 、 水凝胶 、 丝膜和多孔材料 。 例如 , 把葡萄糖氧化酶固定在丝膜上的 生物传感器能检测血液或其它液体中的葡萄糖 。 诊断疾病的生物传感器基质 固定了抗原的丝素蛋白膜能用作疾病诊断的生物传感器 。 丝素蛋 白膜上的抗原与 抗体反应形成一对固定的抗原 一抗体复合物 , 应用电子技术监测这一反应后可用于开 发疾病特种传感器 。 此技术已有企业开发应用 。 软组织相容聚合物 各种丝素蛋白均能用作细胞粘附和增殖的基质 , 而其生物相容性取决于丝的种 类 。 家蚕丝素蛋白的氨基酸组成与野蚕有很大区别 , 野蚕丝素蛋白中有更多的赖氨酸 、 组氨酸和精氨酸 , 因此更适于细胞粘附及增殖 。 有人认为 , 细胞粘附和生长对丝素蛋 白的一级结构十分敏感 。 丝素蛋 白纤维人工键 丝素纤维能吸附磷酸盐溶液中的钙离子 , 它能粘附骨主成分轻基磷灰石 , 最终形 成如接触面的坚实结晶 , 因此能用于人工键 , 且经过改性的丝纤维显示出优良的拉伸 性能 。 丝素蛋白 一乙二醇复合物 运用化学方法能把乙二醇接到丝素蛋白氨基酸残基的活性部位 , 这些氨基酸包括 赖氨酸 、 精氨酸和组氨酸 。 基于乙二醇分子长链所显现的高度流动性 , 化学改性能控 制细胞粘附及增长的速率 。 药物控释体系 内含药物的丝素蛋白膜可用作药物控释体系中释放乙酞水杨酸等的载体 。 接枝和化学改性 从纺织角度来看 , 丝纤维理论上耐酸 , 因此通常用酸性染料或在中性盐溶液中用 直接染料染色 。 蚕丝的弹性模量较高 , 无论是干态还是湿态 , 在高张力下都有有限而 有用的延伸 。 这些性质主要来自于丝特殊的微观结构晶区中相邻分子链上的 和基团间可形成牢固的氢键 , 非晶区由大的侧链组成 , 显示出高度有序性 。 然而 , 丝纤维不耐光 、 易起皱 , 但这些不足可通过改性来弥补 。 在各种改性方法中 , 接枝共 聚显示出巨大潜力 。 将乙烯类单体接枝共聚到蚕丝的工作已有大量报道 。 蛋白纤维在接上乙烯单体和用环氧化物及二元酸醉改性后的理化性质都曾阐明 。 化学试剂与丝素蛋白非晶区中的活性部位发生反应进而改善了丝的形态和结构 , 丝素膜的共混改性研究 引言 因此 , 从实际应用的角度来看 , 显然接枝共聚和化学改性很值得关注 。 基因工程对丝蛋白的修饰作用 蚕转基因 鳞翅类昆虫和它们的细胞对杆状病毒基因表达载体来说是合适的宿主 , 以便合成 外源基因编码蛋白 。 蚕幼虫也适合作为异源蛋白合成的宿主 。 然而 , 基因表达很短 , 因为转染细胞最终会因为杆状病毒的转染而死亡 , 同时启动子在转染的很后期才表 达 。 为得到转基因蚕 , 用显微注射的方法把质粒注入蚕卵中 , 但注入的蛋白很快 就降解了 。 可用作蚕体中外源基因的载体 , 但外源基因的表达不稳定 。 蚕的转 基因不能遗传且表达效率不高 。 然而 , 最近有两个研究组成功地完成了这个实验 。 一 个是用进行同源重组的方法将基因打靶到丝素蛋白轻链上 另一个是用小猪 细菌人工染色体转座子生产转基因蚕 。 如果丝素蛋白启动子允许蚕体内有 用蛋白的大规模和持续的生产 , 转基因蚕便可用作生产大量异源蛋白的生物反应器 。 外源基因对丝素蛋白基因的基因打靶 蚕中基因打靶也有其它方面的用途 。 对内源基因进行靶位置破坏后 , 可采用基因 剔除技术进行基因的分析 , 对丝素蛋白重链 、 轻链及丝胶进行基因工程改性以改善丝 的理化性能 。 打靶载体 对于丝素蛋白轻链的基因打靶 , 轻链基因上的外显子中 , 对上游长臂 、 对下游短臂序列被克隆 , 接着绿色荧光蛋白被插入长臂和短臂序 列间 , 。 的 基因被由轻链基因和基因组成的嵌合基因取代 。 在嵌合轻 链基因和染色体组轻链基因之间 , 经由长臂和短臂发生了同源重组 。 嵌和基因作为轻 链和的融合蛋白在轻链基因启动子的控制下表达 。 的 基因被嵌和轻链 基因取代 , 再结合的被用作打靶载体 。 基因打靶结果的筛检 给雌蚕 。 经皮肤注射接种重组病毒 。 雌蛾与正常雄蛾交配后的下代被 分为两组 。 第一组用于提取 , 第二组接着饲养 。 从第一组的个体中提取基因 组作多聚酶链式反应的模板来筛选基因 。 检验为阳性的第二组 幼蚕接着饲养 。 从每组收集大约个个体 , 分别获取每个五龄幼虫的血细胞 。 从血 细胞中提取基因组 , 用选择含有基因的幼蚕 。 含有基因的雄蛾和雌 蛾分别与正常蛾交配 , 留下它们的后代 。 血细胞中的基因组被用来筛检基 因打靶 。 丝素膜的共混改性研究弓言 丝素蛋白轻链基因上的基因打靶 当把体内含有基因的幼蚕暴露在波长较长的紫外光下时 , 可发现其后腹部膜 内发出绿色荧光 , 这是因为膜形成的是柔软的结合点并呈半透明状 。 丝素蛋白的两个 亚单位重链和轻链在后部丝腺中合成 , 这个器官位于后腹部 , 可以得出结论嵌合 基因和轻链基因是在后丝腺中得到表达 。 与正常丝蛋白相比 , 一以 结果表 明体内的丝蛋白中有分子量为的新蛋 白群和减少了的轻链分子量 。 这种新蛋白的分子量与轻链和构成的嵌合蛋白分子量一致 。 新蛋白群可与抗体起反应 。 运用基因打靶技术修饰丝蛋 白基因生产新一类生物材料的方式前景非常广阔 , 但 生产这种新一类生物材料以前还需要克服表达效率低的问题 。 现在 , 正因为此技术运 用在蚕上的效率极低 , 从而阻碍了它的广泛使用 , 也不利于改善丝的特性 。 然而 , 随 着基因打靶结果筛选的选择性表基和重组活性的有效应用 , 将能有效生产多种新蚕 丝 。 丝素膜改性研究 蚕丝纤维具有较高的回潮率 , 透汽性好 , 光滑柔软 、 手感好 、 穿着舒适 。 由蚕丝 制取的丝素蛋 白具有其他高分子材料所不可比拟的优点无毒 、 无刺激 、 无污染及良 好的生物相容性 。 纯丝素膜一般溶失率很高 , 不能直接使用 , 不溶化处理甲醇浸 泡 , 或湿热处理 招, 后 , 造成强度较大 , 但伸长很小 , 。 超过 , 膜又硬又脆 , 很难在生物体内使用 , 所以必需经过改性以后才可以作为医用材料使用 。 在改善提高丝素膜的性能方面 , 人们作了很多研究 , 主要是采用共混的方法 。 丝素与聚乙烯醉共混 无论是天然丝素还是再生丝素都与聚乙烯醇是不相容的 , 共混膜都有明显的相分 离现象出现 。 等 【 观察到丝素共混膜呈平织结构 , 微相分离区随 聚合度的增加而增大 。 丝素共混膜已成功地用于葡萄糖氧化酶 , 和过氧化氢酶 叫的固定 。 丝素聚乙烯醇共混膜作为酶的固定化材料具有广泛的应用前景 。 丝素与聚酞亚胺共混 等 研究丁不同共混比例共混膜的热力学性质及其表观形貌 。 认为由 于中的酞胺基因能与丝素中的酞胺及其它侧基形成分子间氢键 , 当从加入到丝 素中时 , 能扰乱丝素分子中原有的分子氢键模式 , 使共混膜的热稳定性及力学性能较 纯丝素膜有所改善 。 但共混膜中的两组分有明显的相分离 , 膜中有许多由以晶核或 丝素膜的共混改性研究引言 两聚合物共同形成的圆形粒子镶嵌在均一的基质中 , 即形成所谓的海岛状结构 。 丝素聚乙二醉共混膜 聚乙二醇以化学键的形式和丝素结合后所成的共混膜的亲水性比纯丝素膜 的大 。 细胞培养试验表明 , 与纯丝素膜相比 , 正是由于共混膜的高亲水性和链在 水中的高迁移率使该共混膜可 以抑制成纤维细胞的粘附和生长 们 。 将丙烯酸酷封端的 聚乙二醇在丝素水溶液中用光引发聚合 , 得到的半互穿网络共混膜的拉伸强度及伸长 度比纯丝素膜和单纯丝素膜大得多 , 而且随的含量增加而增大 。 膜中丝素与 间形成了氢键 , 使得丝素分子构象转变为一折叠结构 。 聚一丙氨酸与丝素共混成膜时 , 其含有的碳基或其它极性基因与丝素分子的有 关基因形成强弱不等的氢键 , 由于氢键的形成 , 使丝素分子不得不调整 自身的构象 , 从而引起其构象转变 。 聚丙烯酸也可以引起丝素构象发生转变 。 进一步研究发现丝 素聚丙烯酸共混膜的结构 、 结晶度及结晶的完整性和共混比例有关 , 这种共混膜也 可用于固定化酶的基材困 。 丝素海藻酸钠共混膜 海藻酸钠是从海洋植物 , 如海带或海藻中提取的多糖 海藻酸的钠盐 , 是一 种甘露糖醛酸的聚合体 。 具有优异的吸水性 , 广泛地用于食品和医药行业 。 在丝素分 子与海藻酸钠分子间可以引入氢键交联 。 等 川制备了丝素 海藻酸钠共棍膜 , 并 考察了膜的诸如断裂伸长度 、 断裂强度 、 吸水性及热稳定性等物理性质 。 他们认为 , 共混膜中的两个组分间形成了氢键 , 使得丝素膜的吸水性 、 机械性能及热稳定性由于 与海藻酸钠共混而得到极大的改善 。 膜的断裂伸长度与海藻酸钠的含量成正比 。 丝素纤维素共混膜 丝素纤维素共混膜 【们的密度介于两纯组分的密度之间 , 且随着纤维素含量的增 加而增大 。 加入的纤维素可明显地增加膜的吸湿性 。 共混膜具有优良的弹性 , 含 纤维素的共混膜的弹性是纯丝素膜的倍 。 共混膜中两组分间存在着强的分子间 作用力 , 其中丝素以一结构存在 。 等学者 研究了不同凝结剂对丝素纤维素 共混膜结构和微孔形成的影响 。 得到的膜是一种微孔膜 , 微孔尺小随丝素的比例增加 而增大 。 丝素壳聚糖共混膜 丝素壳聚糖共混膜有良好的生物相容性 。 陈新等学者 绷对壳聚糖一丝素蛋 白膜的 结构进行了表征 。 结果表明 , 壳聚糖一丝素合成膜中丝素蛋 白和壳聚糖之间存在着较 强的氢键相互作用 , 根据射线衍射并结合共混膜表观均匀透明 、 扫描电镜观察未发 丝素膜的共混改性研究引言 现明显宏观相分离 , 认为共混膜是基本相容的 。 在丝素蛋白中共混一定量的壳聚糖可 以改善其吸水性和机械性能 。 当壳聚糖的含量为时 , 其断裂强度约为纯丝素膜的 倍壳聚糖含量为时吸水量为纯丝素膜的倍 当壳聚糖上一的乙酞胺基有被置换为氨基时 , 这种壳聚糖就具有最强的生 理活性效果 , 而溶菌酶对它的分解性最强 。 研究人员正是利用壳聚糖的这种特性和 丝素蛋白良好的细胞粘附 、 增值能力 , 制备了丝素壳聚糖共混膜 , 在对其物理性能 评定的同时 , 考察了共混膜对免疫体系初始阶段上起重要作用的巨噬细胞的影响 。 他 们发现将不同的丝素和壳聚糖混合比的丝素壳聚糖膜用作基材 , 任意改变都有对巨 噬细胞影响的可能性 。 细胞实验结果进一步表明通过和丝素共混 , 能够抑制壳聚糖对 细胞生长的障碍性 。 目前丝素蛋白用于生物材料的主要研究课题 目前对丝素蛋白研究主要集中在以下几个方面 川 丝素蛋白作为固定化酶载体的研究 丝素膜固定化酶在生物传感器上的应用研究有葡萄糖生物传感器 、 生物发光传 感器 、 免疫传感器 、 神经递质传感器等 丝素蛋 白在生物酶防护剂方面的研究 丝素蛋白在药物缓释载体方面的研究 丝素蛋 白在抗凝血物质方面的研究 丝素蛋白在仿生材料方面的研究人工皮肤 、 人工肌键与韧带的开发 丝素蛋白在软组织相容性材料方面的研究 丝素蛋白用作细胞培养基质 。 本课题的研究目的与内容 再生丝素膜临床应用于烧伤创面保护材料的良好效果表明 , 它作为一种性能优良 的医用生物材料 , 具有广阔的研究 、 开发和应用前景 , 。 但由于再生丝素膜在力学 性能方面存在诸多的不足之处 , 从而在很大程度上限制了它的应用范围 川 。 例如 , 用 作硬脑膜 、 血管 、 肌腔等组织修补材料时 , 要求膜具备较好的柔韧性和弹性 , 这样才 能适应外科缝合和周围组织活动而产生的变形的要求 。 通常的再生丝素膜显然达不到 这一要求 。 聚氨酷是一种具备高伸长 、 高弹性 、 高强度等优良机械性能的合成高聚物 。 丝素膜的共混改性研究引言 己广泛应用于皮革 、 粘合剂 、 涂料等领域 。 经适当改性的聚氨酷材料 , 具有 良好的生 物相容性 , 已应用于医用导管 、 体外循环装置 、 人工心脏 、 人工肺等医疗领域 。 为了 改善丝素膜的力学性能 , 本文制备丝素 聚氨酷共混膜 , 探讨共混比例对膜结构和性 能的影响 。 明胶是一种从动物的骨 、 生皮 、 肌键及其他结缔组织的生胶质胶原中提取出 来的蛋白质 , 含有除色氨酸以外的几乎全部氨基酸 , 已广泛用于医疗 、 食品 、 化工 及纺织工业 , 明胶膜较易被生物降解 。 本文用明胶与丝素共混 , 制备复合组分的蛋白 膜 。 试图通过适当的交联和调节膜中不同组分之间的关系 , 使这样的共混膜具备比单 种蛋白的丝素膜或明胶膜更优良的性能 , 从而更好地满足用作某些生物医学材料的要 求 。 组织 、 器官的丧失或功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一 。 以往的治疗方 法中 , 自体组织移植或异体组织移植存在供体不足的问题 , 采用人工合成组织移植 植 入 , 则往往存在生物相容性较差的缺陷 。 组织工程学 周是用工程学和生命科学的原 理 , 在天然或合成基质上重建组织和器官 。 它的诞生和发展 , 为组织和器官的修复重 建提供了新的途径 。 组织工程的实现方式之一 , 是建立由细胞和生物材料构成的三维 空间复合体 。 这一三维的空间结构为细胞提供了获取营养 、 气体交换 、 排泄废物和生 长代谢的场所 , 从而是形成新的具有形态和功能的组织 、 器官的物质基础 。 而这样的 生物材料应是可被生物降解的 洲 。 因此 , 制备生物相容性好的 、 可被生物降解的多 孔基质 , 是组织工程技术得以实现的前提之一 。 家蚕丝素纤维溶解 、 提纯后 , 浇铸所 制得的再生丝素膜 , 无毒性 、 无刺激作用 , 具有良好的生物相容性 , 且对成纤维细胞 、 皮肤表皮细胞的粘附性相当好 呱 。 因此再生丝素材料是一类令人关注的生物材料 。 李明忠等 ,采用冷冻干燥法制备 了海绵状的多孔丝素材料 , 可以通过调节制备工艺条 件 , 控制其孔尺寸 、 孔隙率以及微细结构 。 它可望作为组织工程用的多孔基质 、 药物 控制释放载体等 , 应用于生物医学领域 。 但尚需继续改进材料的组成和结构 , 改善其 生物可降解性能 , 寻找控制其生物降解的方法 。 为了获得既具有优良的生物相容性及 物理性能 , 又具有优良的可降解性的生物材料 , 本文采用冷冻干燥法制备明胶丝素 共混多孔膜 , 探讨交联剂用量 、 共混比例及冷冻温度对共混膜的部分结构和性能的影 响 。 丝素膜的共混改性研究 材料与方法 材料与方法 丝素溶液的制备 家蚕丝置于的 , 溶液中 , 于一 处理 , 重复三次 , 以 脱去蚕丝中的丝胶 。 空气中晾干后得到精练蚕丝 。