丝素蛋白含量对纳米羟基磷灰石仿生矿化和体外细胞相容性的影响
朱云荣1, 陈玉云2, 许国华1, 叶晓健1, 钟健2, 何丹农2
1. 长征医院, 上海 200003
2. 纳米技术及应用国家工程研究中心, 上海 200241
叶晓健, 教授. E-mail:yexj1964@hotmail.com; 陈玉云, 硕士. E-mail:jeccica_1982@hotmail.com

朱云荣(1984-), 男, 博士研究生. E-mail:zyr13579@hotmail.com

摘要

通过制备含有不同丝素蛋白(SF)含量的丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料, 着重研究丝素蛋白含量对纳米羟基磷灰石(n-HA)仿生矿化过程中晶体成核与生长及体外细胞相容性的影响. 结果表明: SF的加入对n-HA晶体的成核和生长具有明显的调控作用; 丝素含量的大小对n-HA晶体成核和生长没有明显的区别, 但对晶粒在有机大分子中的聚集状态有明显的影响: 当SF含量不超过20wt%时, n-HA晶粒呈现放射状团簇, 当SF含量超过20wt%时, n-HA晶粒无序团聚. 体外细胞相容性结果显示, SF的加入可以促进材料与细胞的界面亲和性, 但SF含量对这种亲和性的影响不明显, 20wt%和30wt%的SF含量对增殖能力具有较强的促进作用.

关键词: 羟基磷灰石; 丝素蛋白含量; 纳米晶; 仿生矿化; 细胞相容性
中图分类号:TB321   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2012)08-0883-05
Effect of Silk Fibroin Content on the Bionic Mineralization andIn Vitro Cellular Compatibility of Silk Fibroin/Hydroxyapaptite Nanocomposites
ZHU Yun-Rong1, CHEN Yu-Yun2, XU Guo-Hua1, YE Xiao-Jian1, ZHONG Jian2, HE Dan-Nong2
1. Changzheng Hospital, Shanghai 200003, China
2. National Engineering Research Center for Nanotechnology, Shanghai 200241, China
Abstract

Silk fibroin and hydroxyapatite nanocomposites (SF/HA) with various SF content were prepared. Effect of Silk fibroin content on the bionic mineralization and cellular compatibilityin vitroof HA nanocrystals (n-HA) was investigated. The results show that SF content has an obvious effect on the nucleation and growth of n-HA. However, though SF content does not show obvious difference on the nucleation and growth of n-HA, it has obvious effect on the n-HA aggregation. When SF content is less than 20wt%, n-HA orderly disperses in SF matrix. While the SF content is more than 20wt%, the n-HA aggregation becomes disordered. Thein vitro cellular compatibility experiments demonstrate that the SF/HA composites exhibit better cell affinity than pure n-HA. However, SF content has no obvious effect on the cell affinity of n-SF/HA 20wt% SF/HA and 30wt% SF/HA show better osteoblast proliferation.

Keyword: hydroxyapaptite; silk fibrion content; nanocrystals; bionic mineralization; cytocompatibility

蚕丝丝素蛋白(silk fibroin, SF), 作为一种天然提取蛋白, 以其良好的生物相容性、生物可降解性, 力学性能优良、对细胞的粘附、扩增、分化作用良好等特点, 逐渐应用于生物替代材料和组织工程材料, 丝素蛋白/羟基磷灰石复合材料也被探索用来作为骨组织修复材料[ 1, 2]. 当前对纳米丝素蛋白/羟基磷灰石(n-SF/HA)复合材料的制备与性能的研究集中于制备工艺对HA结晶行为以及SF与HA结合方式的影响[ 3, 4, 5]、制备方法改进[ 6, 7]、以及SF/HA纳米晶[ 8, 9, 10]、在SF纤维上沉积HA[ 11, 12]和在SF薄膜上沉积HA[ 13, 14, 15]等不同的应用形式的研究.

由于自然骨中的无机成分约占70wt%, 有机成分约占30wt%, 很多研究没有对该质量配比进行过论证与核实, 而直接制备出30%SF/70%HA的材料开展后续研究. 针对这个问题, 本研究以丝素蛋白为生物矿化的模板, 采用仿生方法制备不同丝素含量的n-SF/HA, 研究丝素蛋白含量对n-HA的晶体成核与生长行为, 以及材料/细胞界面相容性的作用和影响, 讨论有机大分子SF对无机矿物HA在分子水平上的精细控制过程和有机无机界面处的相互作用.

1 材料与方法
1.1 实验原料

桑蚕茧由湖州市农业科学研究院提供; 骨肉瘤细胞(MG63)购自中科院上海细胞库; 胎牛血清和MEM培养基购自Gibco(加拿大); 二甲基亚砜(DMSO)和噻唑蓝(MTT)购自Sigma(美国); 其他试剂购自国药集团化学试剂有限公司(上海), 并且均为分析纯.

1.2 材料制备与表征

以终产物SF与HA的设计质量比率(设计比率分别为0、10wt%、20wt%、30wt%、40wt%)以及终产物HA中Ca/P为1.67的计量比为原则, 采用文献[16]的制备方法, 合成了一系列不同质量比率的n-SF/HA复合材料. 首先将购买的桑蚕茧用0.5%( w/ v)的Na2CO3水溶液进行脱胶处理, 烘干, 得到丝素纤维; 然后称取1.12、2.51、4.3、6.69 g(分别对应设计比率10wt%、20wt%、30wt%、40wt%)的丝素纤维, 置入75℃的CaCl2-CH3CH2OH-H2O三元溶剂(摩尔比为1:2:8)至完全溶解, 其中三元溶剂中CaCl2为11.10 g. 然后向该溶解液中逐滴加入(NH4)2HPO4溶液((NH4)2HPO4的质量为7.92 g), 体系中出现白色沉淀, 继续在温度75℃和搅拌条件下反应24 h, 通过加入氨水维持整个体系的pH值为10左右. 最后将白色沉淀反复清洗, 烘干, 得到不同SF含量的n-SF/HA粉末样品. 将上述5组n-SF/HA都采用静电雾化沉积设备[ 17]沉积于钛合金表面形成涂层样品以备作细胞测试, 其中钛合金为φ12 mm× 1.5 mm的片状, 制备出的涂层厚度约50 μm.

用透射电镜TEM(JEM-2100F, Joel, 日本)对n-SF/HA的微观形态进行观察.

1.3 材料的体外细胞相容性检测

1.3.1 细胞增殖检测(四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法(MTT)法)

分别将灭菌处理后的n-SF/HA涂层样品置于24孔板中. 每孔接种细胞悬液700 μL(浓度为1× 104cells/mL), 在37℃和5% CO2 环境的培养箱(Thermo, 美国)中孵育, 并分别于第1、4、7 d吸去孔板中的培养液, 每孔加入70 μL MTT溶液(5mg/mL, 即0.5% MTT), 继续培养4 h, 产生蓝紫色结晶物. 每孔加入700 μL二甲基亚砜(DMSO), 置摇床上低速振荡10 min, 使结晶物充分溶解. 取200 μL溶解液转入96孔板中, 在酶联免疫检测仪(infinite F50, TECAN, 瑞士)OD490 nm处测量各孔的吸光值.

根据以下公式计算细胞增长率:

增殖率(%)=(实验-本底)/(对照-本底)×100%

每组样品6个平行样本, 取平均值, T-test法计算标准偏差, p<0.05具有统计学意义.

1.3.2 细胞形态观察

分别将灭菌处理后的n-SF/HA涂层样品置于24孔板中. 每孔接种700μL细胞悬液(1×104cells/mL), 在37℃和5% CO2 环境中培养, 并分别于第1、 4、 7 d弃去培养液并加入5%戊二醛溶液, 4℃固定24 h, 梯度乙醇脱水干燥, 并喷金后在扫描电镜SEM(s-4800, Hitachi, 日本)下观察细胞形态.

2 结果与讨论
2.1 n-SF/HA的透射电镜分析(TEM)

图1是5组n-SF/HA颗粒的TEM照片. 由图1(a)、(b)所见, n-HA晶粒形状为棒状, 晶粒尺寸的长度范围为20~100 nm, 宽度为(35±4) nm, 晶粒分布呈明显的随机性. 由图1(c)、(d)所见, 10%SF/HA晶粒形状为针状, 统计分析得出晶粒尺寸长度为(140±10) nm, 宽度为(15±4) nm, n-HA晶粒的形态发生明显变化, 晶粒密集交错团簇并呈现放射状的聚集形态. 图1(e)、(f)中20%SF/HA晶粒形状为针状, 统计分析得出长度为(148±18) nm, 宽度为(12±2) nm, n-HA晶粒团簇成团并呈现放射状聚集形态. 图1(g)、(h)中30% SF/HA晶粒形状为针状, 统计分析得出长度为(143±14) nm, 宽度为(10±2) nm, 晶粒开始团聚. 图1(i)、(j)中40%SF/HA晶粒形状为针状, 统计分析得出长度为(136±10) nm, 宽度为(10±2) nm, 晶粒团聚. 上述现象说明SF的加入对n-HA的晶体形貌和晶体在有机大分子中的聚集状态起到了调控作用: n-HA晶粒形状在SF的调控下由短棒状变化为针状, 长径比增大, 晶粒尺寸在SF的调控下长度增加宽度减少, 晶粒聚集状态由随机分布变化为晶粒密集交错. SF含量的变化对晶粒尺寸的影响不明显, 但是对晶粒的聚集形态的影响较为明显: SF含量不超过20wt%时, 密集交错的晶粒团簇并呈现放射状, SF含量大于20wt%时, 晶粒团聚呈无序状态.

图1 n-SF/HA (0 ~ 40wt%)的TEM 照片Fig. 1 TEM imags of five groups of n-SF/HA (0–40wt%) samples(a), (b) HA; (c), (d) 10wt%SF/HA; (e), (f) 20wt%SF/HA; (g), (h) 30wt%SF/HA; (i), (j) 40wt%SF/HA

丝素在三元体系的溶解过程中Ca2+与SF中的氨基酸残基以及酰胺基形成静电和共价结合, 大量的Ca2+分布于蛋白质表面, 复合时与PO43-通过静电作用彼此互相靠近促进n-HA颗粒的形成, 并且n-HA表面的Ca2+与蛋白质中的酰胺基、胺基和羧基等的静电或共价作用, 即Ca2+在SF 和n-HA颗粒之间起到了桥架作用[ 2, 4, 16], Ca2+在吸附位上通过静电或者共价作用停留在SF长链上, 才能继续完成成核与矿化的过程.因此, SF含量对n-HA矿化的影响如图2所示, 当SF含量不超过20wt%时, SF提供的吸附位点相对于Ca2+不饱和, Ca2+通过以SF长链为模板自组装沿长链方向生长, n-HA晶体有序放射状分布; 当SF含量超过20wt%时, SF提供的吸附位点相对于Ca2+趋向饱和, Ca2+可以和不止一个SF的位点吸附, 导致SF大分子链的牵连缠绕, 因此有序性就有可能降低.

图2 HA以SF为模板的生物矿化过程示意图Fig. 2 Schematic models of the biomineralization in the composite of SF/HA

2.2 n-SF/HA的体外细胞相容性评价

图3是通过MTT检测MG63细胞在5组n-SF/HA涂层上培养1、4、7 d的吸光度值. 第1 d和第4 d的吸光度值基本没有差异, 第7 d的吸光度值有较为明显的提高, 第7 d的吸光度值30%SF/HA样品的最高, 其次是20%SF/HA样品组, 其他组差异不显著( p>0.05). 计算第7 d的细胞增殖率, 以同期培养的HA为对照组, 30wt%SF/HA为15.35%, 20wt%SF/HA为13.56%, 说明20wt%和30wt%含量对细胞增殖有促进作用.

图3 MG63细胞在五组n-SF/HA (0~40wt%)涂层材料上的增殖性能Fig. 3 Proliferation properties of MG63 on five groups of n-SF/HA (0-40wt%) coating samples

实验还研究了MG63细胞在涂层上贴壁生长情况, 结果显示n-SF/HA(0~40wt%)涂层上细胞都可以良好贴壁并完全伸展, 并且细胞数量接近, 说明SF含量对细胞与材料的界面亲和性没有明显的影响. 本文只列出了n-HA, 20wt%SF/HA涂层上细胞生长粘附1、4、7 d的SEM照片(图4). 结果显示, 在有无丝素加入的表面上, 细胞都可以在材料表面完全铺展, 并与材料紧密结合. 加入丝素与未加入丝素的表面相比, 细胞数量明显增多, 说明SF的加入可以提高MG63细胞与材料的界面相容性. 综合上述MTT与SEM结果分析可知, 与空白组相比, SF的加入提高了细胞与材料的粘附能力, 促进了细胞更快速的增殖, 而20wt%和30wt% SF的含量对增值能力的促进作用略强, 这可能是由于SF含量的增高会引起材料表面粗糙度的增大而导致的.

图4 MG63细胞在n-SF/HA (0、20wt%)涂层材料上培养的SEM照片Fig. 4 SEM images of MG63 cultured on n-SF/HA (0, 20wt%) coating samples(a), (b), (c) n-HA controlled caltured of 1, 4, 7 d; (d), (e), (f) 20%SF/HA controlled caltured for 1, 4, 7 d

3 结论

1) SF的加入对n-HA晶体的成核和生长具有明显的调控作用: 促进n-HA晶粒沿 c轴高度择优生长, 长径比增大, 形貌由短棒状调控为针状; 丝素含量对n-HA晶体成核和生长的影响不明显, 但对晶粒在有机大分子中的聚集状态有明显的调控作用: 当SF含量不超过20wt%时, n-HA晶粒呈现放射状团簇, 当SF含量超过20wt%时, n-HA晶粒为无序团聚;

2) SF的加入可以促进材料与细胞的界面亲和性, 但SF含量对这种亲和性的影响不明显, 20wt%和30wt%的含量对增殖能力的促进作用略为明显.

参考文献
[1] Wang Yongzhong, Kim Hyeon-Joo, Gordana Vunjak-Novakovic, et al. Stem cell-based tissue engineering with silk biomaterials. Biomaterials, 2006, 27(36): 6064-6082. [本文引用:1] [JCR: 7.604]
[2] Kong X D, Cui F Z, Wan X M, et al. Silk fibroin regulated mineralization of hydroxyapatite nanocrystals. Journal of Crystal Growth, 2004, 270(1/2): 197-202. [本文引用:2] [JCR: 1.552]
[3] 王 刚, 姚金波, 周旭光, . “一步法” 制备纳米相丝素蛋白/羟基磷灰石生物复合材料. 复合材料学报, 2008, 25(6): 136-139. [本文引用:1]
[4] WANG Jiang, ZUO Yi, YANG Wei-Hu, et al. Study on preparation of n-HA and silk fibroin bio-mineral material. Journal of Inorganic Materials, 2009, 24(2): 264-268. [本文引用:2] [JCR: 0.531] [CJCR: 1.106]
[5] Wang Li Ning, Gui-Ling Senna Mamoru. Microstructure and gelation behavior of hydroxyapatite-based nanocomposite sol containing chemically modified silk fibroin. Colloids and Surfaces A, 2005, 254(1/2/3): 159-164. [本文引用:1] [JCR: 2.108]
[6] Kong Xiangdong, Sun Xiaodan, Cui Fuzhai, et al. Effect of solute concentration on fibroin regulated biomineralization of calcium phosphate. Materials Science and Engineering C, 2006, 26(4): 639-643. [本文引用:1]
[7] Sun Xiao-Dan, Zhou Ying-Li, Ren Juan-Yong, et al. Effect of pH on the fibroin regulated mineralization of calcium phosphate. Current Applied Physics, 2007, 7(S1): 75-79. [本文引用:1] [JCR: 1.814]
[8] 王 江, 杨维虎, 沈宝珍, . 纳米羟基磷灰石/丝素蛋白生物复合材料的制备和表征. 高分子材料科学与工程, 2008, 24(11): 165-168. [本文引用:1]
[9] 杨 辉, 张 林, 张 宏, . 丝素蛋白/羟基磷灰石复合材料的制备及性能表征. 复合材料学报, 2007, 24(3): 141-146. [本文引用:1]
[10] LI Zhi-Hong, WU Ji-Min, HUANG Shu-Jieet al. Effect of pretreatment on fabrication of natural fibroin fiber/apatite composites using alternate soaking method. Journal of Inorganic Materials, 2011, 26(1): 43-48. [本文引用:1] [JCR: 0.531] [CJCR: 1.106]
[11] 曹 惠, 陈 新, 邵正中(CAO Hui, et al). 羟基磷灰石/丝素蛋白复合纤维的制备及其矿化研究. 化学学报(Acta Chim. Sinica), 2008, 66(18): 2059-2064. [本文引用:1] [JCR: 0.869] [CJCR: 1.044]
[12] Li Yucheng, Cai Yurong, Kong Xiangdong, et al. Anisotropic growth of hydroxyapatite on the silk fibroin films. Applied Surface Science, 2008, 255(5): 1681-1685. [本文引用:1] [JCR: 2.112]
[13] Du Chunling, Jin Jun, Li Yucheng, et al. Novel silk fibroin/hydroxyapatite composite films: structure and properties. Materials Science and Engineering C, 2009, 29(1): 62-68. [本文引用:1]
[14] 刘 琳, 孔祥东, 李玉成, (LIU Lin, et al). 预处理对丝素蛋白膜调控羟基磷灰石晶体生长的影响. 高等学校化学学报(Chem. J. Chinese N. ), 2009, 30(10): 1987-1991. [本文引用:1]
[15] 姚菊明, 魏克民, 励 丽, (YAO Ju-Ming, et al). 蚕丝素蛋白初始结构对其矿化作用的影响. 化学学报(Acta Chim. Sinica), 2007, 65(7): 635-639. [本文引用:1] [JCR: 0.869] [CJCR: 1.044]
[16] Fan Chuanquan, Li Jiashun, Xu Guohua, et al. Facile fabrication of nano-hydroxyapatite/silk fibroin composite via a simplified coprecipitation route. Journal of Material Science, 2010, 45(21): 5814-5819. [本文引用:1]
[17] Zhu Yunrong, Chen Yuyun, Xu Guohua, et al. Micropattern of nano-hydroxyapatite/silk fibroin composite onto Ti alloy surface via template-assisted electrostatic spray deposition. Materials Science and Engineering C, 2012, 32(2): 390-394. [本文引用:1]