基本信息
- 项目名称：
- 丝素/贝壳复合材料制备人工骨的初步实验研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品把握住了矫形外科临床上对人工骨的迫切需求，结合本单位在蚕学方面的学科优势，在国内外首次以丝素蛋白与贝壳的材料组合方式制备人工骨。从家蚕后部丝腺直接提取丝素蛋白，避免了目前再生丝素制备工艺中因丝胶的残留而导致的材料免疫原性。以贝壳粉末为原料，解决了贝壳几何形态无法直接匹配于矫形外科临床需求的问题。通过体外评价，证实了本研究中所制备的人工骨具有应用于临床的潜在可能性。
- 详细介绍：
- 本研究探讨了以五龄大造蚕（Bombyx mori）后部丝腺来源的丝素蛋白和背角无齿蚌贝壳粉末为材料制备人工骨的可行性。通过体外评价，得出如下实验结果：①所制备的丝素蛋白呈乳白色颗粒状，粒径大小介于100～400μm，得率为0.33克/头。② 将丝素蛋白与贝壳粉末按不同的比例进行混合，制备出了6种直径为5mm，长为50mm的供检测样品。③各样品的横截面均为多孔状，孔径介于20～60μm之间，孔隙率介于8.03%～21.18%之间。④各样品的弯曲模量介于158.08～875.42 MPa，随着样品中贝壳粉末含量的增加，弯曲模量逐渐增大，在70%时达到875.42 MPa，此后降低；压缩模量介于378.19～1128.93 MPa，在本实验混合比例范围内（丝素蛋白比贝壳粉末的比例范围为：7∶3～2∶8），随着样品中贝壳粉末含量的增加，压缩模量一直呈上升趋势，并在70%时达到最大值1161.5 MPa，此后降低；当贝壳粉末含量为80%时，样品的拉伸断裂应力12.3MPa，其余样品均在1MPa 左右。⑤傅立叶变换红外光谱图显示，样品中同时存在贝壳和丝素的吸收峰，与丝素蛋白相比，样品中酰胺Ⅴ从670 cm-1移动到了699 cm-1。⑥DSC测试表明，在30～160℃的温度范围内，样品只有水分的挥发，没有发生相的变化。⑦生物安全性检测各项指标均符合要求。本研究结果表明，本研究所制备的人工骨的内部化学键明显有别于丝素蛋白与贝壳；在灭菌温度及人体温范围内，其内部结构稳定；其内部形态、生物力学、生物安全性指标能够满足人工骨的要求。因此，将丝素蛋白与贝壳粉末进行复合以制备人工骨材料的方法具有可行性。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 丝素蛋白和贝壳都是性质优良的天然生物材料，价廉物美、来源丰富。前者具有极好的机械强度，后者具有极佳的硬度，所以将二者复合以制备人工骨可能会达到比较理想的效果。本研究的目的就是为了验证这一思路的合理性，从而为后续的相关研究奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：本研究在充分利用丝素蛋白和贝壳优良的力学性质及生物相容性的前提下，借鉴国内外相关研究成果，合理地设计了实验方案，对实验结果进行了科学分析，研究结论逻辑推导成立。 先进性：本研究应用了现代生物技术的分析手段，对目前生物组织工程领域的前沿问题进行了探讨。 独特之处：本研究在国内外首次开展了以丝素蛋白加贝壳的材料组合方式进行人工骨研制。
应用价值和现实意义
- 实际应用价值：本研究的进一步深化有望为矫形外科临床提供一种优质的具有我国自主知识产权的产品。 现实意义：本人工骨的研制成功，可以解决患者痛苦，这无疑具有良好的社会价值。本人工骨的原材料来源丰富，价廉物美，制备工艺相对简单易行，故具有良好的产业化前景。
学术论文摘要
- 本研究从五龄大造蚕后部丝腺提取丝素蛋白，研磨后呈乳白色颗粒状，粒径大小介于100～400 μm，平均每头五龄家蚕可制备出0.33 g丝素蛋白。按不同比例将丝素蛋白与背角无齿蚌贝壳粉末进行混合，制备出直径为5mm，长为50mm的试样。对样品进行了扫描电镜观察、力学性能测试、傅立叶红外光谱测试、DSC热分析检测、孔隙率测定以及生物安全性检测。实验结果表明：①各样品的横截面均为多孔状，孔径介于20～60μm之间，孔隙率介于8.03%～21.18%之间。②各样品的弯曲模量介于158.08～875.42 MPa，压缩模量介于378.19～1128.93 MPa，贝壳粉末含量为80%时样品的拉伸断裂应力12.3MPa，其余样品均在1MPa 左右。③傅立叶变换红外光谱图显示，样品中同时存在贝壳和丝素的吸收峰，与丝素蛋白相比，样品中酰胺Ⅴ从670 cm-1移动到了699 cm-1。④DSC测试表明，在30～160℃的温度范围内，样品只有水分的挥发，没有发生相的变化。⑤生物安全性检测各项指标均符合要求。本研究结果初步说明，以丝素蛋白与贝壳粉末进行复合以制备人工骨材料的方法具有可行性。
获奖情况
- 1.发表论文:代时春,徐水,等.家蚕后部丝腺丝素蛋白的制备[J].中国组织工程研究与临床康复,2009,13 (12):2269-2272. 2.2009年6月，第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛重庆赛区特等奖。
鉴定结果
- 加州大学圣迭亚哥分校骨科系宋国立教授认为：本作品把握住了矫形外科临床上对人工骨的迫切需求，其社会效益和经济效益具有良好的前景。实验技术路线设计合理，数据丰富可信，对于本科生而言是难能可贵的。
参考文献
- [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] 苗宗宁,潘宇红,祝建中,等.丝素蛋白支架材料复合骨髓间充质干细胞构建组织工程化软骨[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(27):5243-5247.
同类课题研究水平概述
- 在人工骨的研制领域，材料的选择一直是其核心。应用于人工骨研制的材料多种多样，但均有各自优点和不足。目前，丝素蛋白及贝壳均分别被应用于人工骨的研制中，但是，以丝素蛋白与贝壳粉末进行复合以制备人工骨的研究还未见报道。 应用于组织工程领域研究中的丝素蛋白多为再生丝素，即通过蚕丝脱胶的方法来制备，目前的脱胶工艺无法保障能够完全去除具有免疫原性的丝胶蛋白，而从家蚕后部丝腺可以直接提取完全不含丝胶蛋白的丝素蛋白，故采用家蚕后部丝腺制备丝素蛋白的方法具有显著的优点。 贝壳在人工骨研究中的应用正逐步引起重视。C.Milet等（2004）用珠母贝贝壳修补绵羊骨缺损取得了很好的结果。M. Bachle等（2006）将罗曼蜗牛（Helix pomatia）贝壳与人成骨细胞共培养，认为与角质层相比，珍珠层更适合人成骨细胞的黏糊和扩增。以这2篇文献为代表的研究工作的特点是：所用材料均为天然贝壳，没有破坏贝壳的结构，也没有将贝壳和其他材料复合。事实上，直接将贝壳作为人工骨材料是很受制约的，因为贝壳的几何形状和尺寸很难与骨移植中对原料的要求相匹配，所以先将贝壳制备成粉末后再将其加工成所需的几何形态是贝壳应用于骨修复与替代的主要出路。冯永增等（2008） 以牡蛎壳粉末为原料，将其与消旋聚乳酸复合以制备人工骨，认为其孔隙率、孔径、生物力学强度、体外降解性能可满足骨替代材料的要求。不可否认，从一定意义上讲，这篇文献所报道的工作是目前贝壳复合材料应用于人工骨研究中的比较早而且比较全面的工作。但是，这并不意味着他们所制备的这种材料就可以作为人工骨使用，因为在所报道的工作中没有生物学评价的内容。 本研究将五龄大造蚕后部丝腺来源的丝素蛋白按不同比例与背角无齿蚌贝壳粉末进行混合，以制备人工骨供检测样品。通过对样品进行内部观察、力学性能测试、傅立叶红外光谱测试、DSC热分析检测、孔隙率测定以及生物安全性检测，从而评价以丝素蛋白与贝壳粉末进行复合以制备人工骨材料方法的可行性。
