基于角蛋白纳米纤维生物医学工程合成
Summary
纳米纤维具有高的表面积与重量比，优异的机械完整性，并支持细胞生长和增殖。这些纳米纤维具有广泛的生物医学应用。在这里，我们制造角蛋白/ PCL纳米纤维，利用静电纺丝技术，和表征纤维用于组织工程可能的应用。
Abstract
静电纺丝，由于它的多功能性和潜在的在各个领域的应用中，被频繁用于制造纳米纤维。这些多孔纳米纤维的生产是非常感兴趣的，由于其独特的物理化学性质。在这里，我们阐述含有聚（ε -己内酯）角蛋白（PCL）纳米纤维（即，PCL /角蛋白复合纤维）的制造。水溶性角蛋白首次从人类头发萃取，用不同比例的PCL混合。 PCL /角蛋白的混合溶液转化成用实验室设计的静电设立纳米纤维膜。纤维形态，将得到的纳米纤维的机械性能进行了观察和使用扫描电子显微镜和拉伸试验机进行测定。此外，纳米纤维的降解和化学性质用FTIR分析。 SEM图像显示，对于不同的组合物的PCL /角蛋白纤维均匀的表面形貌。这些PCL / keratiÑ纤维也表现出优异的机械性能如杨氏模量与故障点。成纤维细胞能够附着并增殖从而证明良好的细胞生存力。根据上面讨论的特征，我们可以强烈认为天然和合成聚合物的共混纳米纤维可以表示可用于不同的生物医学应用的复合材料的优异的发展。
Introduction
电纺丝是公认的实现聚合物纳米纤维的一种普遍方法。该纤维可以在纳米级来制备和纤维的性能定制1。这些发展和纳米纤维的特性一直是他们在生物医学工程应用中特别有趣尤其是在组织工程。所述纳米纤维具有相似的细胞外基质，从而促进细胞粘附，迁移和增殖2。由于这种相似的胞外基质（ECM），电纺纤维可以用作材料，以协助在伤口敷料，药物递送，以及用于工程组织如肝，骨，心脏，肌肉3。
各种合成和天然来源的不同聚合物已被用于创建不同的生物医学工程应用4静电纤维。近来，在不断增长terest在复合纳米纤维的发展通过混合合成的和天然的聚合物4。在这些组合物的最终产品通常继承与合成聚合物结合的同时还采用生物线索和性质与天然聚合物的机械强度。
在该实验中，PCL和角蛋白被表示为要使用的复合纳米纤维的合成的合成和天然聚合物。角蛋白是在毛发，羊毛和指甲发现天然聚合物。它包含了许多氨基酸残基;值得注意的兴趣是半胱氨酸4,5。理想的是天然存在的聚合物是生物可再生的，生物相容和可生物降解的。角蛋白具有所有这三种特性，同时也增强细胞增殖和附着到它已在6被纳入的生物材料。
聚己内酯（PCL）是一个可再吸收的，合成的聚合物，在显著组织工程4。这种聚合物先前已经称赞其结构和机械稳定性，但是，它缺乏细胞亲和力并呈现一个冗长的降解速率。 PCL的疏水性质为缺乏细胞亲和性7的可能负责。然而，PCL由是与其他聚合物高度混溶弥补了其局限性。一个PCL /角蛋白复合应当证明PCL的力学性能，并纳入角蛋白的生物特性，使其成为各种生物医学应用的理想选择。
Protocol
Representative Results
Discussion
从人发角蛋白的提取成功实现。过乙酸充当对人类的头发氧化剂，允许由Tris碱中提取的角蛋白。生产角蛋白粉的是小规模，由于这样的事实，它为研究目的才被完成。这个程序已经建立在工业的大规模生产。提取的小规模角蛋白的目的是，以控制污染，批次变异性，和成本效益。
角蛋白提取是这个过程的限速步骤。角蛋白粉末的产率是很低的，0.7 – 2％。人的头发丝20克产?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者想通过工程技术研究中心革命化金属生物材料（ERC-0812348）和纳米技术本科教育（EEC 1242139）资助的支持，感谢国家科学基金会。
Materials
| Human Hair | N/A | N/A | Obtained from Local Barber Shop in Greensboro |
| Peracetic acid | Sigma Aldrich | N/A | |
| PCL (e-caprolactone polymer) | Sigma Aldrich | 502-44-3 | Mn 70-90 kDa |
| Trifluoroethanol (TFE) | Sigma Aldrich | 75-89-8 | |
| Tris Base (TrizmaTM Base Powder) | Sigma Aldrich | N/A | > 99.9% crystalline |
| Hydrochloric Acid | Fischer Scientific | A144C-212 Lot 093601 | Waltham, MA |
| Kwik-Sil | World Precision Instruments | N/A | Sarasota, FL |
| Cellulose membrane | Sigma Aldrich | N/A | 12-14 kDa molecular cutoff |
| optical microscope | Olympus BX51M | BX51M | Japan |
| scanning electron microscope | Hitachi SU8000 | SU8000 | Japan |
| Table-Top Shimadzu machine | North America Analytical and Measuring Instruments AGS-X series | AGS-X Series | Columbia, MD |
| Fourier transform infrared spectroscopy | Bruker Tensor 2 Instrument | N/A | Billerica, MA |
| Microcal Origin software | N/A | N/A | Northampton, MA |
| X-ray diffraction (XRD) | Bruker AXS D8 Advance X-ray Diffractometer | N/A | Madison, WI |
| Fibroblast 3T3 cell | American Tissue Type Culture Collection | N/A | Manassas, VA |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM | Invitrogen | N/A | Grand Island, NY |
| Spectra max Gemini XPS microplate reader | Molecular Devices | N/A | Sunnyvale, CA |
| Student- Newman-Keuls post hoc test | SigmaPlot 12 software | N/A | N/A |
References
- 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. Electrospun nanofibrous structure: a novel scaffold for tissue engineering. J Biomed Mater Res. 60, 613-621 (2002).
- Liu, W., Thomopoulos, S., Xia, Y. Electrospun nanofibers for regenerative medicine. Adv Healthc Mater. 1, 10-25 (2012).
- Edwards, A., Jarvis, D., Hopkins, T., Pixley, S., Bhattarai, N. Poly(-caprolactone)/keratin-based composite nanofibers for biomedical applications. J Biomed Mater Res B. 103, 21-30 (2015).
- Dowling, L. M., Crewther, W. G., Parry, D. A. Secondary structure of component 8c-1 of alpha-keratin. An analysis of the amino acid sequence. Biochem J. 236, 705-712 (1986).
- Yamauchi, K., Maniwa, M., Mori, T. Cultivation of fibroblast cells on keratin-coated substrata. J Biomat Sci-Polymer. 9, 259-270 (1998).
- Shea, L. D., Wang, D., Franceschi, R. T., Mooney, D. J. Engineered Bone Development from a Pre-Osteoblast Cell Line on Three-Dimensional Scaffolds. Tissue E. 6, 605-617 (2000).
- Fortin, M. -. J. New Biological Software. Q Rev Biol. 71, 169-170 (1996).
- Bhattarai, N., Edmondson, D., Veiseh, O., Matsen, F. A., Zhang, M. Electrospun chitosan-based nanofibers and their cellular compatibility. Biomaterials. 26, 6176-6184 (2005).
- Yang, S., Leong, K. F., Du, Z., Chua, C. K. The design of scaffolds for use in tissue engineering. Part I. Traditional factors. Tissue E. 7, 679-689 (2001).
- Bhattarai, N., et al. Natural-Synthetic Polyblend Nanofibers for Biomedical Applications. Adv Mater. 21, 2792-2797 (2009).
