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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 絲素/貝殼復(fù)合材料制備人工骨的初步實(shí)驗(yàn)研究
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡介：
- 本作品把握住了矯形外科臨床上對人工骨的迫切需求，結(jié)合本單位在蠶學(xué)方面的學(xué)科優(yōu)勢，在國內(nèi)外首次以絲素蛋白與貝殼的材料組合方式制備人工骨。從家蠶后部絲腺直接提取絲素蛋白，避免了目前再生絲素制備工藝中因絲膠的殘留而導(dǎo)致的材料免疫原性。以貝殼粉末為原料，解決了貝殼幾何形態(tài)無法直接匹配于矯形外科臨床需求的問題。通過體外評價(jià)，證實(shí)了本研究中所制備的人工骨具有應(yīng)用于臨床的潛在可能性。
- 詳細(xì)介紹：
- 本研究探討了以五齡大造蠶（Bombyx mori）后部絲腺來源的絲素蛋白和背角無齒蚌貝殼粉末為材料制備人工骨的可行性。通過體外評價(jià)，得出如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：①所制備的絲素蛋白呈乳白色顆粒狀，粒徑大小介于100～400μm，得率為0.33克/頭。② 將絲素蛋白與貝殼粉末按不同的比例進(jìn)行混合，制備出了6種直徑為5mm，長為50mm的供檢測樣品。③各樣品的橫截面均為多孔狀，孔徑介于20～60μm之間，孔隙率介于8.03%～21.18%之間。④各樣品的彎曲模量介于158.08～875.42 MPa，隨著樣品中貝殼粉末含量的增加，彎曲模量逐漸增大，在70%時(shí)達(dá)到875.42 MPa，此后降低；壓縮模量介于378.19～1128.93 MPa，在本實(shí)驗(yàn)混合比例范圍內(nèi)（絲素蛋白比貝殼粉末的比例范圍為：7∶3～2∶8），隨著樣品中貝殼粉末含量的增加，壓縮模量一直呈上升趨勢，并在70%時(shí)達(dá)到最大值1161.5 MPa，此后降低；當(dāng)貝殼粉末含量為80%時(shí)，樣品的拉伸斷裂應(yīng)力12.3MPa，其余樣品均在1MPa 左右。⑤傅立葉變換紅外光譜圖顯示，樣品中同時(shí)存在貝殼和絲素的吸收峰，與絲素蛋白相比，樣品中酰胺Ⅴ從670 cm-1移動到了699 cm-1。⑥D(zhuǎn)SC測試表明，在30～160℃的溫度范圍內(nèi)，樣品只有水分的揮發(fā)，沒有發(fā)生相的變化。⑦生物安全性檢測各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。本研究結(jié)果表明，本研究所制備的人工骨的內(nèi)部化學(xué)鍵明顯有別于絲素蛋白與貝殼；在滅菌溫度及人體溫范圍內(nèi)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；其內(nèi)部形態(tài)、生物力學(xué)、生物安全性指標(biāo)能夠滿足人工骨的要求。因此，將絲素蛋白與貝殼粉末進(jìn)行復(fù)合以制備人工骨材料的方法具有可行性。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 絲素蛋白和貝殼都是性質(zhì)優(yōu)良的天然生物材料，價(jià)廉物美、來源豐富。前者具有極好的機(jī)械強(qiáng)度，后者具有極佳的硬度，所以將二者復(fù)合以制備人工骨可能會達(dá)到比較理想的效果。本研究的目的就是為了驗(yàn)證這一思路的合理性，從而為后續(xù)的相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 科學(xué)性：本研究在充分利用絲素蛋白和貝殼優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)及生物相容性的前提下，借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果，合理地設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了科學(xué)分析，研究結(jié)論邏輯推導(dǎo)成立。 先進(jìn)性：本研究應(yīng)用了現(xiàn)代生物技術(shù)的分析手段，對目前生物組織工程領(lǐng)域的前沿問題進(jìn)行了探討。 獨(dú)特之處：本研究在國內(nèi)外首次開展了以絲素蛋白加貝殼的材料組合方式進(jìn)行人工骨研制。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：本研究的進(jìn)一步深化有望為矯形外科臨床提供一種優(yōu)質(zhì)的具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。 現(xiàn)實(shí)意義：本人工骨的研制成功，可以解決患者痛苦，這無疑具有良好的社會價(jià)值。本人工骨的原材料來源豐富，價(jià)廉物美，制備工藝相對簡單易行，故具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本研究從五齡大造蠶后部絲腺提取絲素蛋白，研磨后呈乳白色顆粒狀，粒徑大小介于100～400 μm，平均每頭五齡家蠶可制備出0.33 g絲素蛋白。按不同比例將絲素蛋白與背角無齒蚌貝殼粉末進(jìn)行混合，制備出直徑為5mm，長為50mm的試樣。對樣品進(jìn)行了掃描電鏡觀察、力學(xué)性能測試、傅立葉紅外光譜測試、DSC熱分析檢測、孔隙率測定以及生物安全性檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①各樣品的橫截面均為多孔狀，孔徑介于20～60μm之間，孔隙率介于8.03%～21.18%之間。②各樣品的彎曲模量介于158.08～875.42 MPa，壓縮模量介于378.19～1128.93 MPa，貝殼粉末含量為80%時(shí)樣品的拉伸斷裂應(yīng)力12.3MPa，其余樣品均在1MPa 左右。③傅立葉變換紅外光譜圖顯示，樣品中同時(shí)存在貝殼和絲素的吸收峰，與絲素蛋白相比，樣品中酰胺Ⅴ從670 cm-1移動到了699 cm-1。④DSC測試表明，在30～160℃的溫度范圍內(nèi)，樣品只有水分的揮發(fā)，沒有發(fā)生相的變化。⑤生物安全性檢測各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。本研究結(jié)果初步說明，以絲素蛋白與貝殼粉末進(jìn)行復(fù)合以制備人工骨材料的方法具有可行性。
獲獎情況
- 1.發(fā)表論文:代時(shí)春,徐水,等.家蠶后部絲腺絲素蛋白的制備[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2009,13 (12):2269-2272. 2.2009年6月，第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽重慶賽區(qū)特等獎。
鑒定結(jié)果
- 加州大學(xué)圣迭亞哥分校骨科系宋國立教授認(rèn)為：本作品把握住了矯形外科臨床上對人工骨的迫切需求，其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益具有良好的前景。實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線設(shè)計(jì)合理，數(shù)據(jù)豐富可信，對于本科生而言是難能可貴的。
參考文獻(xiàn)
- [1] S. Kamat,X. Su,R. Ballarini & A.H. Heuer. Structural basis for the fracture toughness of the shell of the conth Strombus gigas. Nature.2000;405(29). [2] Sofia S,McCarthy MB,Gronowicz G,et al. Functionalized silk-based biomaterials for bone formation.J Biomed Mater Res.2001;54(1):139-148. [3] Hofmann S, Hagenmüller H, Koch AM, et al. Control of in vitro tissue-engineered bone-like structures using human mesenchymal stem cells and porous silk scaffolds. Biomaterials. 2007;28(6):1152-1162. [4] Dal Pra I, Freddi G, Minic J, et al. De novo engineering of reticular connective tissue in vivo by silk fibroin nonwoven materials.Biomaterials.2005;26(14):1987-1999. [5] Yamamoto K, Tomita N, Fukuda Y, et al. Time-dependent changes in adhesive force between chondrocytes and silk fibroin substrate. Biomaterials.2007;28(10):1838-1846. [6] 苗宗寧,潘宇紅,祝建中,等.絲素蛋白支架材料復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞構(gòu)建組織工程化軟骨[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2008,12(27):5243-5247.
同類課題研究水平概述
- 在人工骨的研制領(lǐng)域，材料的選擇一直是其核心。應(yīng)用于人工骨研制的材料多種多樣，但均有各自優(yōu)點(diǎn)和不足。目前，絲素蛋白及貝殼均分別被應(yīng)用于人工骨的研制中，但是，以絲素蛋白與貝殼粉末進(jìn)行復(fù)合以制備人工骨的研究還未見報(bào)道。 應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域研究中的絲素蛋白多為再生絲素，即通過蠶絲脫膠的方法來制備，目前的脫膠工藝無法保障能夠完全去除具有免疫原性的絲膠蛋白，而從家蠶后部絲腺可以直接提取完全不含絲膠蛋白的絲素蛋白，故采用家蠶后部絲腺制備絲素蛋白的方法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。 貝殼在人工骨研究中的應(yīng)用正逐步引起重視。C.Milet等（2004）用珠母貝貝殼修補(bǔ)綿羊骨缺損取得了很好的結(jié)果。M. Bachle等（2006）將羅曼蝸牛（Helix pomatia）貝殼與人成骨細(xì)胞共培養(yǎng)，認(rèn)為與角質(zhì)層相比，珍珠層更適合人成骨細(xì)胞的黏糊和擴(kuò)增。以這2篇文獻(xiàn)為代表的研究工作的特點(diǎn)是：所用材料均為天然貝殼，沒有破壞貝殼的結(jié)構(gòu)，也沒有將貝殼和其他材料復(fù)合。事實(shí)上，直接將貝殼作為人工骨材料是很受制約的，因?yàn)樨悮さ膸缀涡螤詈统叽绾茈y與骨移植中對原料的要求相匹配，所以先將貝殼制備成粉末后再將其加工成所需的幾何形態(tài)是貝殼應(yīng)用于骨修復(fù)與替代的主要出路。馮永增等（2008） 以牡蠣殼粉末為原料，將其與消旋聚乳酸復(fù)合以制備人工骨，認(rèn)為其孔隙率、孔徑、生物力學(xué)強(qiáng)度、體外降解性能可滿足骨替代材料的要求。不可否認(rèn)，從一定意義上講，這篇文獻(xiàn)所報(bào)道的工作是目前貝殼復(fù)合材料應(yīng)用于人工骨研究中的比較早而且比較全面的工作。但是，這并不意味著他們所制備的這種材料就可以作為人工骨使用，因?yàn)樵谒鶊?bào)道的工作中沒有生物學(xué)評價(jià)的內(nèi)容。 本研究將五齡大造蠶后部絲腺來源的絲素蛋白按不同比例與背角無齒蚌貝殼粉末進(jìn)行混合，以制備人工骨供檢測樣品。通過對樣品進(jìn)行內(nèi)部觀察、力學(xué)性能測試、傅立葉紅外光譜測試、DSC熱分析檢測、孔隙率測定以及生物安全性檢測，從而評價(jià)以絲素蛋白與貝殼粉末進(jìn)行復(fù)合以制備人工骨材料方法的可行性。
