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1、大豆分离蛋白胶骨粘合强度的测定及对成骨细胞生长的影响摘要:以骨粘合强度为指标,研究了大豆分离蛋白(Soybeanproteinisolate,SPI)胶的浓度对猪扇骨粘合强度的影响,并通过MTT细胞毒性实验研究了大豆分离蛋白胶对成骨细胞(MC3T3-ED生长的影响,通过细胞贴壁率实验研究了大豆分离蛋白胶对成骨细胞贴壁率的影响。结果表明:大豆分离蛋白胶的浓度越高,骨粘合强度越大(p0.05),并且大豆分离蛋白胶对成骨细胞贴壁率没有影响(p0.05)o本研究结果表明SPl胶具有潜在的医用黏合剂的应用价值。关键词:大豆分离蛋白(SPI);骨粘合强度;成骨细胞Abstract:Thepurposeof
2、thisstudywastoexploretheinfluenceofconcentrationontheadhesivestrengthofsoybeanproteinisolate(SPI)ontoporcinebones.TheeffectsofSPIonthegrowthandthecelladhterentrateofosteoblasts(MC3T3-E1)weretestedbyMTTcytotoxicitytestandcelladhterentratetest.TheresultsshowedthatthetensilebondstrengthofSPIadhesiveinc
3、reasedwiththeincreaseofitsconcentration(KO.05).SPIshowednotoxicitytoosteoblastswhenexposedfor24and48hrsincubation(p0.05),suggestingthatSPIhasapotentialtobeutilizedasanadhesiveinmedicalfields.Keywords:Soyproteinisolate(SPI);Bonebonding;Osteoblasts目录前言51实验材料与方法错误!未定义书签。1.1实验材料41.1.1实验试剂41.1.2实验仪器错误!未定
4、义书签。1.2实验方法错误!未定义书签。1.2. 1大豆分离蛋白胶的制备51.2. 1.1脱脂大豆粉的制备51.3. 1.2大豆分离蛋白的制备51.4. 1.3大豆分离蛋白胶的制备101.2.2 骨片的制备101.2.3 粘合强度测定错误!未定义书签。1.2.4 不同浓度下大豆分离蛋白胶骨粘合强度的测定111.2.5 大豆分离蛋白胶对成骨细胞生长影响的测定错误!未定义书签。1. 2.5.1MTT细胞生长的测定71.2.5.2细胞贴壁率的测定121.2.6数理统计分析错误!未定义书签。2结果与分析82.1浓度对大豆分离蛋白胶骨粘合强度的影响82.2大豆分离蛋白胶对成骨细胞生长的影响92.3大豆分
5、离蛋白对成骨细胞贴壁率的影响103结论154展望错误!未定义书签。致谢17参考文献18前言大豆是生活中常见的食物,含有丰富的营养物质,包括多种必需氨基酸(人体需要但人体不能合成,只能通过食物来摄取),此外还含有25%的脂肪,是重要的油料作物。大豆分离蛋白(SPl)是由大豆蛋白深加工得到的副产物,经测定,大豆分离蛋白中的蛋白质含量高达90%,因此被称为高纯度大豆蛋白质。大豆分离蛋白的制备工艺简单易行,以低温大豆粕为原料,通过碱溶酸沉方法制备。大豆在我国的种植面积大,范围广,因此是一种优质又廉价的资源。大豆分离蛋白作为植物蛋白中为数不多的优质蛋白质,当人体在不宜过多摄入动物蛋白质的情况下可以通过摄
6、入大豆蛋白来代替。大豆分离蛋白在行业的应用十分广泛,多应用于食品领域。大豆分离蛋白具有低脂肪含量的优点,因此可以加工成为优质蛋白粉供特殊人群使用,甚至可以作为航空航天食品应用于国防领域。同时,大豆分离蛋白也可以作为营养强化剂应用于保健食品领域,其功效诸多,如减少骨质疏松、阻止尿钙流失,以及降低人体血液中低密度脂蛋白胆固醇以及总胆固醇的含量。除用作食品添加剂外,大豆分离蛋白因其良好的起泡性、乳化性、溶解性,凝胶性等功能特性,在材料学领域广受青睐(如表1)。表1大豆分离蛋白在材料学领域应用Table1soyproteinisolateapplicationsinthefieldofmaterial
7、sscience年份机构胶黏剂应用1923年Johnson等人以脱脂大豆粉为基料的胶粘剂仅适用于胶合板工业。Kuo等人用70%的豆粉和30%的酚醛混合制成胶粘剂用于胶合板生产,其性能接近商业酚醛胶的胶合板。1930年美国杜邦大豆蛋白腺醛脂用于木板的胶黏,但因生产成公司胶黏剂本高未能大量使用。2001年美国Soypolymerpro-cote大豆聚合物(多功应用于涂料、胶合板的粘结等公司能化学改性大豆分离蛋白)多种领域。Boyer等人用缓慢冷冻和融化的方法来生产植物蛋白胶粘剂应用于纺织、纸箱包装及水基涂料等行业口,大豆蛋白质来源于植物,可以避免动物传染性疾病,其降解产物无毒副作用,对细胞增殖和组
8、织再生具有促进作用,所以大豆分离蛋白可以作为生物材料。例如,大豆分离蛋白可以制作为大豆蛋白质/甲壳素复合膜,具有良好的生物相容性、透气性、抗菌性,可应用于伤口敷料或皮肤组织工程材料皿。其还可以制作为大豆分离蛋白/聚乙二醇水凝胶,有利于皮肤创面体液的吸收和创面的愈合,可应用于组织工程领域的支架材料其还可以制作为纤维素/大豆蛋白质复合膜,具有良好的组织相容性、适合多种细胞在其表面生长和繁殖,可应用于组织工程与再生医学领域的生物材料网。不仅如此,大豆分离蛋白水解物可以促进细胞生长,所以可以用作无血清培养基的成分之一或者添加剂虽然大豆分离蛋白胶在纺织、包装、木材、生物材料等领域已有诸多报道,但其作为新
9、型生物粘合剂在医学领域的应用尚待研究。随着人们生活质量的日益提升,医用骨粘合剂已经成为临床医学的新宠,它的出现代替了传统治疗骨折的钢针、钢丝、丝线等固定,伤口缝线缝合,其不仅具备操作简单方便、稳定性高、不易感染、可任意塑造、使用量少、大大缩短手术时间等优点,而且能够克服手术外部固定和内部金属固定的沉重、复杂等问题询,尤其解决了粉碎性骨折中存在较小的碎骨片很难固定以及有可能造成机体肢体功能障碍等后遗症的问题(如果仅仅保持骨折的表面力线位置而单独靠机体自行愈合,会产生后遗症的问题因此,使用医用骨粘合剂对骨折中产生的碎块进行粘合、治疗恢复的方法得到普遍重视。此外,大豆蛋白粘合剂替代传统化学粘合剂如氯
10、羟基丙酸酯类粘合剂,可以弥补其不易被机体吸收代谢、妨碍机体组织愈合、不符合绿色环保要求等缺点,而且,相较现有的新型生物粘合剂,如天然海洋生物类胶黏剂(贻贝蛋白粘合剂),大豆分离蛋白胶可以达到节约成本的目的间。不仅如此,大豆分离蛋白胶具有原料来源广、良好的生物相容性、粘合强度大等优点。随着大豆蛋白胶黏技术的不断发展,大豆蛋白胶黏剂应用于医用胶黏剂领域将有更加广阔的前景。理想的医用骨粘合剂应具备以下条件:生物相容性良好;能够在生物体体内迅速粘合伤口;粘合强度大能够保持伤口的粘合状态以不被撕裂;对组织机体无毒,在生物体中能够被代谢降解;经济实用、操作简单方便。但是完全符合上述条件的医用粘合剂至今还未
11、出现,所以研究出更加适合临床的新型医用骨粘合剂已经成为人们的需要。从天然的大豆分离蛋白制备的粘合剂有可能成为满足上述要求的新型医用骨粘合剂。成骨细胞株常常被作为细胞模型来研究骨代谢。这种细胞株具备碱性磷酸酶活性、基质矿化、一型胶原合成等生物学特性,具备作为体外培养成骨细胞的细胞株的良好条件,是国际公认的良好的体外培养成骨细胞株型。不仅如此,成骨细胞株的增殖在一定程度上反映了成骨细胞的增殖,成骨细胞的增殖有利于骨质形成,在骨代谢过程中占有重要地位加。本课题从上述理念出发,将制备得到的大豆分离蛋白作为粘合剂应用于动物骨骼粘合,以成骨细胞体外培养为模型,在评价大豆分离蛋白浓度对骨粘合强度的影响的同时
12、,检测大豆分离蛋白胶对成骨细胞生长的影响, 粘合剂应用于临床医学。1实验材料与方法1.1 实验材料1.1.1 实验试剂含羞草黑大豆(市售)新鲜猪扇骨(市售)FBS、DEME-高糖、Penicillin-StreptomyciTrypsin EDTA(0. 05%)MTT异丙醇、NP-40、盐酸、氯化钠磷酸二氢钾、磷酸氢二钾氢氧化钠、PBS磷酸盐缓冲液乙醒氯化钙PBS磷酸盐缓冲液所有实验试剂均为分析纯1. 1.2实验仪器HY-0580微机控制电子万能材料试验机T504医疗电锯电钻组TG16-WS台式高速离心机以期将来能够将大豆分离蛋白胶作为医用产自江苏昆山 产自江苏徐州 (100)GibCO 公
13、司Gibco公司Sigama公司国药集团化学试剂有限公司 北京索莱宝科技有限公司 北京索莱宝科技有限公司上海生物工程股份有限公司国药集团化学试剂有限公司北京索莱宝科技有限公司上海横翼精密仪器有限公司天津市津东希冀医疗器械厂P-500-3微型 陕西施力特机电设备技术工程有限公司湖南湘仪实验室仪器开发有限公司H1850R高速冷冻离心机湖南湘仪实验室仪器开发有限公司BCD-251 WBSV海尔冰箱THZ-C恒温振荡器PRACTUM224-1CN 电子天平98-2磁力搅拌器LRH-150生化培养箱DHC-P146A电热恒温鼓风干燥箱PHS-3E 0酸度计LS750液氮罐酶标仪生物安全柜、C02培养箱荧
14、光倒置显微镜HH-2数显恒温水浴锅青岛海尔股份制有限公司苏州培英实验室仪器制备有限公司 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司上海司乐仪器有限公司 上海-恒科学仪器有限公司 上海-恒科学仪器有限公司 上海-恒科学仪器有限公司 北京天信德科技发展有限公司美国Bio Tek公司赛默飞世尔科技有限公司卡尔蔡司公司 常州国华电器有限公司德国赛多利斯公司PRACTUM224-1CN 电子天平1.2实验方法1.2.1 大豆分离蛋白胶的制备1.2. 1.1脱脂大豆粉的制备脱脂大豆粉的制备是参照陈振家如的方法,首先将大豆磨粉,然后将其过80目的 筛子,在25C和IIOrmin的条件下,使其与脱脂溶剂乙醵按照1: 8
15、(wv)的比例混合, 在恒温振荡器中均匀震摇8 h,取出,弃去上清液,保留下层试剂,将以上步骤重复三次并将脱脂豆粉风干,以作备用。1.2.1.2大豆分离蛋白的制备大豆分离蛋白的制备参照宋鹏的方法,将脱脂大豆粉在低温下储存,将其干燥30min,取50g,按照1:10将其与水进行一次碱提,调PH8.0,在40。C的条件下,搅拌25min,然后在3100g,4的条件下离心20min,取上清液并在30r/min的条件下将其酸沉,3100g,4的条件下离心5min,取沉淀(粗蛋白)水洗,将其调至PH7.0,将其冷冻干燥,即可制得大豆分离蛋白(SPI)o1.2. 1.3大豆分离蛋白胶的制备将冻干的SPl溶
16、于0.01mol/LPBS缓冲液中,在室温下搅拌30min将SPl完全溶解,静置30min,即可制备成大豆分离蛋白胶。1.2.2 骨片的制备取市售新鲜猪扇骨,剔除表面肉类等组织,用电锯切割成35mm10mm5mm的骨片,将形状、大小相似的两片骨片归为一组,标记好接触面,接触面积为15mm10mm,在骨片顶部打一个圆孔,以备仪器穿孔,测试拉伸力。将骨片完全浸泡入PBS缓冲液中,在37。C的条件下,在恒温培养箱中放置50min,以便溶出血水,取出之后将其擦干并在室温下晾晒3h使骨片自然风干。1.2.3 粘合强度测定粘合强度的测定参照张建新3等的方法,将大小、形状相一致的两块骨片分成一组,在室温的条
17、件下,将不同浓度的大豆胶涂至粘接部位,粘接面积大约为IOnimXlOmm,并记录下粘接面积S,用橡皮筋将粘接部位充分固定,将其在饱和氯化钙中浸泡15mino在25。C的条件下,将粘接完成的骨块在恒温培养箱中放置48h,使其充分固化,待胶完全固化好后解除橡皮筋,将其放置在万能材料试验机上,测试其拉伸力F,拉伸速度设置为50mmmin,粘合强度。=F/S。每组设置12个平行,取平均值得出该组的粘合强度。图1粘合强度测试示意图Fig.1Adiagramoftheshearstrengthtest1.2.4 不同浓度下大豆分离蛋白胶骨粘合强度的测定将大豆分离蛋白胶分别调配浓度为2乐3乐5乐8%10%,
18、在骨片粘合部位表面将其均匀涂抹,用橡皮筋绑牢,并放入饱和氯化钙溶液中浸泡15min,在25。C的条件下,在恒温培养箱中固化48h,固化后解除橡皮筋,每组设置12个平行,放置在万能材料实验机上测定拉伸力,记录并取平均值。1.2.5 大豆分离蛋白胶对成骨细胞生长影响的测定1. 2.5.1MTT细胞生长的测定将C02的浓度设置为5%,温度设置为37。C以及C02的湿度为饱和湿度,在此模拟环境下的培养箱中培养成骨细胞,每隔48h换1次培养液,将其进行显微镜观察和计算,当细胞生长率达到80%以上时,对细胞进行胰蛋白酶降解收集,将培养皿中培养液吸走,用PBS冲洗3次,每次5ml,前两次立即吸出,第三次40
19、S后吸出;加入2ml胰酶(IYyPSin-EDTA)到培养皿中,30S后吸出,并将其放入培养箱中30s,拍打培养皿,在显微镜下观察细胞分离的情况,并经细胞计数器计数后加入5ml,2%FBS的新鲜培养液配置成50000个mL的细胞悬浮液,取10UI计数,计数完成后,按照每孔加100UL的标准将细胞悬浮液铺满96孔板(96孔板外围加入100HlPBS溶液),培养48h后加入2%浓度的样品,继续培养24h、48h后加入10uL孔的MTT原液(5mgmL),在培养皿中继续培养4h,以便细胞和MTT充分反应。4h后移除MTT,加入100L孔的异丙醇,避光37C反应15Inin后使用酶标仪在570nm下测
20、吸光值。每组.12个平行,取平均值计算。1.2. 5.2细胞贴壁率的测定将CO?的浓度设置为5乐温度设置为37。C以及CO2的湿度为饱和湿度,在此模拟环境下的培养箱中培养成骨细胞,每隔48h换1次培养液,将其进行显微镜观察和计算,当细胞生长率达到80%以上时,对细胞进行胰蛋白酶降解收集,将培养皿中培养液吸走,用PBS冲洗3次,每次5ml,前两次立即吸出,第三次40s后吸出;加入2ml胰酶(IYypsin-EDTA)到培养皿中,30S后吸出,并将其放入培养箱中30s,拍打培养皿,在显微镜下观察细胞分离的情况,并经细胞计数器计数后加入5ml,2%FBS的新鲜培养液配置成50000个mL的细胞悬浮液
21、,取10U1计数,计数完成后,在在24孔培养板中分别加入含有10%FBS的培养液和2%浓度的样品,设置空白对照,在二氧化碳培养箱中孵化Ih,将胰蛋白酶降解后收集的蛋白以浓度5000个/孔铺满24孔板,每孔400Ul,培养箱继续培养1h、2h、3h后取出,用PBS冲洗3次除去未贴壁的细胞,加入10Ul/孔的MTT原液(5mgmL),在培养箱中继续培养4h,以便细胞和MTT充分反应4h后移除MTT,加入300l孔的异丙醇,避光37。C反应15Inirl后使用酶标仪在570nm下测吸光值。每组12个平行,取平均值计算。1.2.6数理统计分析实验所得数据表示为平均值土标准偏差,采用Excel.JMP对
22、数据进行方差分析,当K0.05时差异具有显著性意义,当K0.01时差异具有极显著性意义。2结果与分析2.1浓度对大豆分离蛋白胶骨粘合强度的影响郑江等人为比较瓜儿胶、海藻酸钠作为骨骼粘合剂的粘合性能将胶体浓度选择为06%,艾宇飞明等人为将生物粘合剂-光聚合仿贻贝应用于明胶模拟的人体组织中将胶体浓度选择为40%o本研究选择的大豆蛋白胶浓度为2%、3%、5%、8%、10%。浓度对大豆胶粘合强度的影响如图2所示。经实验得出:随着大豆分离蛋白的浓度不断升高,大豆胶粘合强度不断增大。当浓度为2%升至3乐3%升至5乐5%升至8%时,粘合强度增加幅度一致。当浓度从8%升至10%时,图示斜率最大,粘合强度增加幅
23、度最大,由222KPa升至373KPa。大豆分离蛋白浓度达到10%时,粘合强度达到最大值为373KPa。各个浓度的大豆胶之间粘合强度的差异均显著(KO.05)。Oooo Oooo 5 4 3 2 1,qUJ-s登艰伞柒100-0112%SPI3%SPI5%SPl8%SPI10%SPI浓度Concentration(%)注:不同浓度的SPl相比,不同大写字母表示差异显著(KO.05)图2SPI浓度对大豆分离蛋白胶粘合强度的影响Fig.2EffectofSPIconcentrationonadhesivestrengthofSPI2.2大豆分离蛋白胶对成骨细胞生长的影响在医用材料生物安全性评价中,
24、细胞毒性试验是第一阶段的筛选试验,也是材料生物相容性试验方法中的一种。体外细胞培养试验是一种初级快速毒性筛选的程序,与动物试验和人类临床试验相比较,具有耗时短、可控性高、花费较低等优点囹。在本研究中,利用体外细胞毒性实验检测大豆分离蛋白胶对细胞生长的影响是一种简明的评价材料生物安全性的方法,但相较于体外实验,体内环境复杂多变,大豆分离蛋白胶对机体是否有毒性、能否降解吸收、能否促进机体愈合等均需通过动物实验完成。因此,在研究大豆分离蛋白是否可以作为潜在医用骨粘合剂的进一步试验中,利用动物模型进行机体实验是下一阶段研究的主要内容。添加不同浓度的SPI在不同培养时间下对成骨细胞生长的影响如表2o由表
25、可知,在培养时间为24h、48h的条件下,添加不同浓度的SPl对细胞的生长没有影响(p0.05)o即SPI在显著提升自身骨粘合强度的同时,对细胞的生长没有影响,可见SPI存在巨大的潜力成为理想的骨粘合剂。表2不同处理细胞生长情况比较Table2Effectsofdifferenttimeongrowthofcell加样浓度204060100500、QlgmD培养时奔、(h)x02410.920.020.890.040.890.041.00+0.021.050.024810.89+0.060.99+0.010.890.051.070.030.920.04注:表中数据二(实验组吸光值-空白组吸光值
26、)/(对照组吸光值-空白组吸光值),实验组:加入不同浓度梯度蛋白胶后的细胞培养组、对照组:不加蛋白胶的细胞培养组、空白组:不加蛋白胶和细胞培养液的空白孔。注:与无SPl的相比,*表示差异显著(KO.05),无任何标记表示无显著性差异30.05)o2.3大豆分离蛋白对成骨细胞贴壁率的影响贴附、伸展是多数体外培养细胞的基本生长特点,大多数哺乳动物细胞在体内和体外均附着于一定的底物而生长。在体外,底物可以是其他细胞、胶原、玻璃或塑料等。一些特殊的促细胞附着的物质,如层粘连蛋白、血清扩展因子等可能参与细胞贴附过程。这些促细胞附着因子均为蛋白质。添加不同浓度的SPl在不同培养时间下对成骨细胞贴壁率的影响
27、如表3。由表可知,在贴壁初期1h、2h、3h对细胞的贴壁率没有影响(p0.05)o表3不同处理细胞贴壁情况比较Table3Effectsofdifferenttimeonadherentofcell加样浓度、xQig/mD培养时标、(h)Xx0204060100500110.850.060.940.030.940.020.890.051.040.02210.94+0.060.97+0.040.90+0.030.93+0.020.90+0.07310.94+0.050.98+0.060.95+0.030.94+0.051.09+0.03注:“加样浓度”为添加到细胞培养液中蛋白胶的浓度(ug/ml
28、);表中数据二(实验组吸光值-空白组吸光值)/(对照组吸光值-空白组吸光值),实验组:加入不同浓度梯度蛋白胶后的细胞培养组、对照组:不加蛋白胶的细胞培养组、空白组:不加蛋白胶和细胞培养液的空白孔。注:与无SPl的相比,*表示差异显著(Ko.05),无任何标记表示无显著性差异50.05)o3结论本研究首次表明了SPl胶具有潜在的医用黏合剂的应用价值,并且肯定了SPI胶作为医用胶合剂的潜力。结果表明:随着大豆分离蛋白的浓度升高,大豆胶粘合强度增大(p0.05)o在24h和48h培养时间下,大豆分离蛋白胶对成骨细胞生长没有影响(PX).05),并且大豆分离蛋白胶对成骨细胞贴壁率没有影响(pX).05
29、)o4展望大豆蛋白分离蛋白由于其黏胶特性,且在一定培养时间下对细胞生长无影响,有作为医用粘合剂的潜力。目前,大豆分离蛋白在改性后能拓展大豆分离蛋白在食品工业中的应用团。在未来的实验研究中,可以在大豆蛋白胶黏性方面有所改进,以期更好的应用于医学领域。本研究通过体外实验研究了不同浓度SPl的粘合性能以及对细胞的生长影响,但是,胶体与骨骼的构效关系以及粘合作用机理尚不清楚,大豆分离蛋白胶的浓度对猪扇骨的粘合强度的增强的最适浓度尚未确定;而且,相较体外实验,机体内环境更加复杂与多变,胶粘剂对机体有无毒性、能否降解吸收、能否促进机体愈合等均需通过动物实验完成。因此,进一步阐述粘合机理,确定最适浓度以及利
30、用动物模型进行其机体实验将是下一阶段研究的主要内容。致谢首先我要感谢我的导师,论文的完成离不开老师的悉心指导和关怀。从论文的选题到论文得完成的整个过程里,老师都以他严谨的治学态度、渊博的学术知识以及个人魅力感染着我,使我受益非浅。在课题研究期间,老师百忙之中抽出时间悉心指导课题的研究,为论文提出了许多中肯、及时的指导和建议,在此谨对老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。我要感谢我的辅导员以及实验室的伙伴们,他们在我的生活以及论文的完成过程中都给我了许多帮助,衷心的谢谢他们。参考文献1张国.大豆蛋白的使用方法及利用例简介j.肉类研究,2005,08:27-28.2陈明阳.利用大豆回交导入系群体定位蛋白
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