朱云荣(1984-), 男, 博士研究生. E-mail:zyr13579@hotmail.com
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.
Silk fibroin and hydroxyapatite nanocomposites (SF/HA) with various SF content were prepared. Effect of Silk fibroin content on the bionic mineralization and cellular compatibility
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.
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.
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.
1.3.1 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.
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.
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.
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.
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.