基于多级结构调控超强再生蚕丝三维编织物的构筑及应用

Repair of hard bone defect is a very challenging problem, this project will build a multifunctional regenerated silk fiber three-dimensional braided fabrics, and realize the personalized repair of bone. Silk fibroin regenerated fiber will be spun by solution spinning, it will be investigated the structural changes of silk protein at mesoscopic scale from the solution state to the fiber state, and the influence of mechanism of the additive biological activity and fluorescent functional materials on the formation of regenerated silk fiber. The regenerated silk fibers will be fabricated into three-dimensional braided silk fabrics by three-dimensional braiding technology, it will be focused on the effect of crystallinity, crystal network structure of regenerated silk fiber, the additives and the methods of braiding technology on the mechanical properties and degradation properties from the point veiw of hierarchical structure. The evolution of the structure and properties of regenerated three-dimensional braided silk fabrics will be studied in vitro and in vivo based on near infrared probe technique, which will provide a new technical means for the performance optimization. Accordingly, the high strength regenerated fibroin scaffolds will be produced, which will provide theoretical basis and a new method to solve the mechanical problem of bone scaffold, and pave the way on the research and development of the repair of hard bone.

硬骨缺损的修复是非常具有挑战性的问题，本项目将构筑多功能再生蚕丝纤维三维编织物，实现硬骨个性化修复。经溶液纺丝将蚕丝蛋白纺成再生纤维，研究再生蚕丝蛋白在介观尺度从溶液状态到纤维状态的结构变化过程，以及添加剂生物活性和荧光功能化对再生蚕丝纤维形成过程的影响以及影响机理。采用三维编织的方法将再生蚕丝纤维编织成三维编织物，从多级结构的角度研究再生蚕丝纤维的结晶度，晶体网络结构，添加剂的种类和三维编织的方法对再生纤维三维编织物的力学性能和降解性能的影响。采用近红外探针技术，研究再生蚕丝纤维三维编织物在体外和体内结构和性能的变化，为其性能优化提供新型技术手段。在此基础上，制备高强度再生蚕丝纤维支架，为解决硬骨支架力学性能不足提供新的方法和理论依据，为硬骨支架材料研究与开发奠定材料学基础。

骨癌导致的骨缺损的修复是非常具有挑战性的问题，本项目将构筑多功能再生蚕丝纤维材料组织工程支架，实现个性化修复。将直径30 nm表面修饰有羧基的聚苯乙烯微球添加到丝素蛋白溶液中，经溶液纺丝得再生丝素蛋白纤维。从多级结构的角度研究再生蚕丝纤维的结晶度，晶体网络结构和添加剂的种类对再生纤维的力学性能和降解性能的影响，发现再生丝素蛋白纤维断裂强度随着聚苯乙烯微球含量的增加而增加，断裂强度最高能达到524 MPa，发现晶体网络密度和取向度提高有利于力学性能的提高的机理。利用圆二色光谱，原子力显微镜和流变仪研究了丝素蛋白分子向纤维转变的过程中内部结构的演变，发现丝素蛋白分子结晶形成纳米纤维是一个两步成核的过程，加入聚苯乙烯微球可以明显降低两步成核的势垒，促进了β-折叠和β-晶体的形成，有利于致密的晶体网络的形成。将天然黑色素聚多巴胺微球复合到丝素蛋白纤维材料中，实现丝素组织功能支架光热功能化，分别制备了丝素蛋白泡沫（聚多巴胺@丝素）和丝素蛋白纤维（聚多巴胺@丝素-聚多巴胺纤维）组织工程支架。在近红外激光照射下，泡沫和纤维组织工程支架温度都可升至50oC，与其共同孵育的骨肉瘤细胞（MG63）明显死亡，表明所得组织工程支架具有一定的光热毒性。在光纤的辅助下，植入小鼠体内的聚多巴胺功能化组织工程支架可升温至40oC以上，有望用于骨肿瘤的光热治疗。上述研究为解决骨癌导致的硬骨缺损和组织工程支架力学性能不足提供新的方法和理论依据，为硬骨支架材料研究与开发奠定材料学基础。