静电纺丝纳米纤维具有高比表面积、优异的机械完整性，并能支持细胞生长和增殖。这些纳米纤维在生物医学领域具有广泛的应用前景。本文采用静电纺丝技术制备角蛋白/聚己内酯（PCL）纳米纤维，并对其特性进行表征，以探索其在组织工程中的潜在应用。
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本文内容
摘要
摘要
静电纺丝因其多功能性及在多个领域的应用潜力，被广泛用于制备纳米纤维。由于多孔纳米纤维具有独特的物理化学性质，其制备备受关注。本文详细阐述了含角蛋白的聚(ε-己内酯)(PCL)纳米纤维的制备方法即，PCL/角蛋白复合纤维）。首先从人发中提取水溶性角蛋白，并按不同比例与PCL混合。将PCL/角蛋白混合溶液通过实验室自制的静电纺丝装置制备成纳米纤维膜。采用扫描电子显微镜和拉伸试验机对所得纳米纤维的形貌和力学性能进行观察与测定。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究纳米纤维的降解性能和化学特性。扫描电镜图像显示，不同组成的PCL/角蛋白纤维均具有均匀的表面形貌。这些PCL/角蛋白纤维还表现出优异的力学性能，如杨氏模量和断裂点。成纤维细胞能够在其表面黏附并增殖，表明其具有良好的细胞活力。基于上述特性，可以有力地论证，天然与合成聚合物共混纳米纤维代表了一类优异的复合材料，在多种生物医学应用中具有广阔前景。
引言
静电纺丝被认为是一种制备聚合物纳米纤维的常用方法。该方法可制备出纳米尺度的纤维，且纤维特性可定制1。这些进展以及静电纺丝纳米纤维的特性，使其在生物医学工程领域，尤其是在组织工程中的应用备受关注。静电纺丝纳米纤维具有类似于细胞外基质的结构，因而能够促进细胞的黏附、迁移和增殖2。由于与细胞外基质（ECM）具有相似性，静电纺丝纤维可作为材料用于伤口敷料、药物递送，以及肝脏、骨骼、心脏和肌肉等组织的工程化构建3。
多种不同来源的合成与天然聚合物已被用于制备静电纺丝纤维，以应用于不同的生物医学工程领域4。近年来，通过混合合成聚合物与天然聚合物来开发复合纳米纤维的研究兴趣日益增长4。在这些复合材料中，最终产物通常继承了合成聚合物所具有的机械强度，同时获得了天然聚合物提供的生物学信号和特性。
在本实验中，PCL 和角蛋白分别作为合成聚合物和天然聚合物，用于复合纳米纤维的制备。角蛋白是一种存在于毛发、羊毛和指甲中的天然聚合物，含有多种氨基酸残基，其中特别值得关注的是半胱氨酸4,5。理想的天然聚合物应具备生物可再生性、生物相容性和生物可降解性。角蛋白不仅具备这三种特性，还能增强细胞在其所掺入的生物材料上的增殖和黏附能力6。
聚己内酯....
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方案
所有实验方案均遵循北卡罗来纳州A&T州立大学研究合规与伦理办公室
1. 角蛋白提取的化学试剂制备 4
- 在通风橱内，将 20 ml 过氧乙酸加入 980 ml 去离子水（DI 水）中，配制 1,000 ml 质量体积比为 2% 的过氧乙酸溶液（PAS）。
- 将 12.2 g 三羟甲基氨基甲烷碱（Tris Base）加入 1,000 ml 去离子水（DI 水）中，搅拌至完全溶解，配制 1,000 ml 浓度为 100 mM 的 Tris 碱溶液（TBS）。
- 在通风橱内，将 4 ml 浓盐酸倒入 30 ml 去离子水（DI 水）中，制备稀释盐酸溶液（DHAS）。
- 收集约 20 g 未经化学处理或修饰的人类毛发样本，毛发长度不限。
- 用手以温水和肥皂彻底清洗毛发，并用去离子水（DI 水）进行最终漂洗。
- 将毛发放入两个 600 ml 烧杯中，置于 80 ºC 烘箱内干燥 1 小时。
- 倒掉烧杯底部液体，将烧杯重新放回烘箱，直至毛发完全干燥。
- 将干燥后的毛发均分至两个 600 ml 烧杯中，每杯放入 10 g 毛发，确保毛发总体积不超过 500 ml。
- 向每个烧杯中倒入 500 ml 过氧乙酸溶液（PAS），确保完全浸没毛发。用封口膜覆盖烧杯，静置 12 小时。
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结果
纤维形态
对所有纤维组分均获得了纤维的扫描电镜（SEM）图像。见图3。 纤维图像证实，纤维呈随机取向排列。
机械测试
机械强度高的纤维通常被要求用于各种组织工程应用。这些纤维应在特定的应力和环境条件下保持足够的强度和柔韧性9通常，支架的模量应接近目标组织的模量，以避免产生应力屏蔽效应，并在使用过程中保持足够的强度 体内 和/或 体外 细胞生长10采用拉伸试验机测定纤维的杨氏模量和断裂强度。PCL/角蛋白在比例分别为100:00、90:10、80:20和70:30时的杨氏模量（MPa）分别为10 ± 2、8 ± 1、5 ± 1.5和4.5 ± 1.6。4同样，PCL/角蛋白在100:00、90:10、80:20和70:3.......
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讨论
已成功从人发中提取角蛋白。过氧乙酸作为氧化剂作用于人发，使角蛋白能够被Tris碱提取。由于该操作仅用于研究目的，因此角蛋白粉末的制备规模较小。此方法在工业上已建立用于大规模生产。小规模提取角蛋白的目的是为了控制污染、批次间的变异性和成本效益。
角蛋白的提取是该实验流程中的限速步骤。角蛋白粉末的产率非常低，仅为0.7 - 2%。20克人发仅可获得0.14 - 0.4克角蛋白。制备电纺纤维的另一个关键步骤是配制适合电纺的溶液。角蛋白虽可轻易分散于去离子水中，但在进行电纺时，角蛋白/水溶液无法形成纤维。为了提供形成纳米纤维所需的分子间相互作用，向溶液中引入了一种共聚物。聚己内酯（PCL）溶于三氟乙醇（TFE）后，可通过氢键与角蛋白发生更强的相互作用。由于TFE具有电负性和酸性特性，它在维持共聚物复合物的稳定性方面起到了主要作用。
由于聚己内酯（PCL）具有疏水性，而角蛋白具有亲水性，将角蛋白溶液与PCL溶液混合带来了新的挑战。随着角蛋白比例的增加，获得均匀混合物变得困难。通过将角蛋白溶液逐滴加入PCL溶液中，并手动涡旋振荡30分钟，.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
作者感谢美国国家科学基金会通过金属生物材料革命化工程研究中心（ERC-0812348）和纳米技术本科教育项目（EEC 1242139）提供的资金支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 人发 | 来自格林斯伯勒当地理发店 | ||
| 过氧乙酸 | Sigma Aldrich | ||
| 聚己内酯（PCL，e-己内酯聚合物） | Sigma Aldrich | 502-44-3 | 数均分子量（Mn）70–90 kDa |
| 三氟乙醇（TFE） | Sigma Aldrich | 75-89-8 | |
| Tris碱（TrizmaTM碱粉末） | Sigma Aldrich | >99.9%结晶态 | |
| 盐酸 | Fischer Scientific | A144C-212 批号 093601 | 马萨诸塞州沃尔瑟姆 |
| Kwik-Sil | World Precision Instruments | 佛罗里达州萨拉索塔 | |
| 纤维素膜 | Sigma Aldrich | 截留分子量 12–14 kDa | |
| 光学显微镜 | Olympus BX51M | BX51M | 日本 |
| 扫描电子显微镜 | Hitachi SU8000 | SU8000 | 日本 |
| 台式岛津试验机 | 北美分析与测量仪器 AGS-X 系列 | AGS-X 系列 | 马里兰州哥伦比亚 |
| 傅里叶变换红外光谱（FTIR） | Bruker Tensor 2 仪器 | 马萨诸塞州比勒里卡 | |
| Microcal Origin 软件 | 马萨诸塞州北安普顿 | ||
| X射线衍射（XRD） | Bruker AXS D8 Advance X射线衍射仪 | 威斯康星州麦迪逊 | |
| 成纤维细胞 3T3 细胞 | 美国模式培养物集存库（ATCC） | 弗吉尼亚州马纳萨斯 | |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基（DMEM） | Invitrogen | 纽约州格兰岛 | |
| Spectra max Gemini XPS 微孔板读板仪 | Molecular Devices | 加利福尼亚州森尼韦尔 | |
| Student-Newman-Keuls 事后检验 | SigmaPlot 12 软件 |
参考文献
- Huang, Z. -M., Zhang, Y. Z., Kotaki, M., Ramakrishna, S. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Compos Sci Technol. 63, (2003).
- Li, W. J., Laurencin, C. T., Caterson, E. J., Tuan, R. S., Ko, F. K.
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重印与许可
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