絲素蛋白在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用

青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266000

絲素蛋白(SF)是一種主要從蠶繭中提取的蛋白質(zhì)聚合物，其生產(chǎn)成本低，目前已作為一種生物醫(yī)用材料使用，廣受歡迎。利用不同的蠶繭(家蠶繭、野蠶繭等)，可以收集不同組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的絲素蛋白[1-2]。與其他生物醫(yī)用材料(如膠原蛋白、聚乳酸等)相比，絲素蛋白生物醫(yī)用材料更有利于細(xì)胞的生長。絲素蛋白以反平行折疊鏈構(gòu)象(β-折疊結(jié)構(gòu))為基礎(chǔ)，形成直徑約10 nm的微纖維，無數(shù)微纖維密切結(jié)合組成細(xì)纖維，細(xì)纖維再構(gòu)成蠶絲蛋白纖維。近幾年來，蠶絲蛋白纖維因具備獨特的力學(xué)性能、多樣的加工性、良好的生物相容性和緩慢的生物降解性[3]，成為生物醫(yī)用領(lǐng)域的理想材料。蠶絲蛋白纖維在紡織工業(yè)中應(yīng)用歷史悠久，目前正不斷向其他領(lǐng)域延伸，其被溶解于不同的溶解體系如溴化鋰/乙醇、氯化鈣/甲酸[4]、甲酸/羥基磷灰石[5]、離子液體[6]等。再生單一結(jié)構(gòu)/多級絲素蛋白纖維的自組裝是至關(guān)重要的，這決定了再生絲素蛋白纖維的物理和化學(xué)特性[7-8]。絲素蛋白纖維可用于縫合傷口[9]、藥物遞送[10]、血管組織再生[11]、皮膚傷口敷料和骨組織支架[12]等。絲素蛋白纖維的可加工性良好，可加工成不同形態(tài)，如顆粒狀、纖維狀、薄膜狀，以及三維(3D)多孔支架等。從蠶繭中提取的絲素蛋白也可用于制造水凝膠、海綿、微球體、薄膜等生物醫(yī)用材料。

1 蠶絲蛋白纖維的組成與結(jié)構(gòu)

1.1 組成

蠶絲蛋白纖維主要含兩種蛋白質(zhì)：絲素蛋白(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占75%)和絲膠蛋白(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占25%)[13-14]。絲膠蛋白包裹在絲素蛋白的周圍，前者通?？扇?，可以通過熱化學(xué)處理去除(也稱為脫膠)[15-16]。絲素蛋白是半結(jié)晶聚合物，主要由β-折疊晶體和非晶體(微孔隙和無定形結(jié)構(gòu))組成；絲膠蛋白為無定形結(jié)構(gòu)，起黏合作用，可保持蠶絲蛋白纖維整體的完整性[17]。

1.2 結(jié)構(gòu)

蠶絲蛋白纖維主要有柞蠶絲和桑蠶絲兩種，它們的橫截面分別如圖1(a)、(b)所示，可以看出，柞蠶絲橫截面上有很多氣孔，截面形狀與桑蠶絲相比更加扁平[18]。柞蠶絲中所含的絲膠蛋白較多，因此手感較粗糙、光澤較暗淡、剛性較強(qiáng)。

(a) 柞蠶絲

(b) 桑蠶絲

2 蠶繭脫膠與絲素蛋白溶液制備

2.1 蠶繭脫膠

脫膠是對蠶繭進(jìn)行熱化學(xué)處理，去除絲膠蛋白的過程。絲膠蛋白的結(jié)構(gòu)和降解性會影響脫膠程度。利用不同試劑(如蒸餾水、硼酸鈉緩沖液、碳酸鈉、尿素、琥珀酸)進(jìn)行脫膠處理，對絲素蛋白纖維的形貌有影響[19-20]。

2.2 絲素蛋白溶液制備

絲素蛋白含有約 45%的甘氨酸和 34%的丙氨酸，而這兩種氨基酸的 R 基團(tuán)的末端為―H 或―CH3，其疏水性很大，因而絲素蛋白很難溶于水。因此，必須先將絲素蛋白溶解在鹽溶液(如溴化鋰溶液或離子液體)中，經(jīng)磁力攪拌器攪拌，獲得絲素蛋白溶液，這樣才有可能成膜或形成再生絲素蛋白纖維[21]。

3 單一結(jié)構(gòu)和多級結(jié)構(gòu)的絲素蛋白基生物醫(yī)用材料現(xiàn)狀

3.1 單一結(jié)構(gòu)

3.1.1 顆粒結(jié)構(gòu)

可以用幾種方法制備顆粒結(jié)構(gòu)的絲素蛋白基生物醫(yī)用材料。自組裝技術(shù)已廣泛用于制備微米級和納米級絲素蛋白顆粒。通過鹽析使絲素蛋白溶液發(fā)生相分離，其過程相對簡單。LAMMEL等[22]使用磷酸鉀獲得了SF顆粒，其尺寸在500 nm～2 μm且可控，同時發(fā)現(xiàn)絲素蛋白顆粒的二級結(jié)構(gòu)和Zeta電位受磷酸鉀溶液pH值的影響。ZENG等[23]發(fā)現(xiàn)絲素蛋白的相對分子質(zhì)量分布范圍較窄時，所形成的絲素蛋白微球體表面更平滑、更均勻。研磨絲素蛋白是制造絲素蛋白顆粒的物理方法[24]。

3.1.2 膜結(jié)構(gòu)

通常，通過澆鑄絲素蛋白溶液制備絲素蛋白膜。MINOURA等[25]用甲醇處理得到的絲素蛋白膜顯示出高透氣性及良好的力學(xué)性能。其他已報道的技術(shù)包括旋涂[26]、垂直沉積[27]和旋轉(zhuǎn)輔助逐層組裝[28]等。將絲素蛋白溶液澆鑄在光滑干凈的板上，經(jīng)自然蒸發(fā)或在一定溫度下干燥后，就能獲得絲素蛋白膜。

3.1.3 3D結(jié)構(gòu)

3D結(jié)構(gòu)的絲素蛋白基生物醫(yī)用材料通常以水凝膠和海綿材料的形式存在。水凝膠具有高含水量的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。超聲波、渦旋、加熱、溶劑、光交聯(lián)等，都可以誘導(dǎo)絲素蛋白溶液發(fā)生凝膠現(xiàn)象。凝膠化過程的速率受處理溫度、絲素蛋白溶液pH值、絲素蛋白溶液濃度等因素的控制。在凝膠過程中，絲素蛋白的二次結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從無規(guī)卷曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變成β-折疊構(gòu)象。LUO等[29]通過簡單的混合和加熱處理，制備了具有良好連續(xù)性能的絲素蛋白/羥丙基甲基纖維素(HPMC)水凝膠。

3.2 多級結(jié)構(gòu)

由于絲素蛋白具有優(yōu)異的可加工性，可以制造各種形式的絲素蛋白基生物醫(yī)用材料。圖2所示為絲素蛋白溶液制備過程，以及單一結(jié)構(gòu)和多級結(jié)構(gòu)的絲素蛋白基生物醫(yī)用材料的形成路徑。

圖2 絲素蛋白溶液制備過程及單一結(jié)構(gòu)和多級結(jié)構(gòu)的絲素蛋白基生物醫(yī)用材料的形成路徑[30-31]

4 絲素蛋白纖維溶解方法

利用酸或銅銨鹽溶解絲素蛋白，會導(dǎo)致絲素蛋白分子嚴(yán)重降解[32]。在低溫條件下，CAMILLE等[33]嘗試使用不同濃度的硫酸和磷酸溶解絲素蛋白。曹惠等[34]利用溴化鋰/乙醇二元溶劑溶解絲素蛋白，得到了可紡性良好的絲素蛋白溶液, 并通過濕法紡絲得到了較均勻的初生纖維。

4.1 過去的溶解法

一般選用脫膠后的絲素蛋白纖維，在LiBr/C2H5OH/H2O溶劑中溶解，制成絲素蛋白溶液，透析后干燥成膜，再次溶解后紡絲。

4.2 目前的溶解法

將絲素蛋白纖維溶解于鹽/酸二元溶解體系中，獲得絲素蛋白溶液。掃描電子顯微鏡(SEM)提供了一種途徑比較利用不同的鹽/酸溶液制備的再生絲素蛋白纖維的形態(tài)，如圖3所示，其中：(a)為溴化鋰/甲酸溶液制備的再生絲素蛋白纖維，其上有裂紋，表面不光滑；(b)為氯化鈣/甲酸溶液制備的再生絲素蛋白纖維，其表面光滑。

(a) 溴化鋰/甲酸

(b) 氯化鈣/甲酸

鹽在水中產(chǎn)生離子并增加水分子的極性，這破壞了絲素蛋白分子間的作用力，導(dǎo)致絲素蛋白纖維膨脹。乙醇可以進(jìn)入絲素蛋白纖維分子的結(jié)晶區(qū)，并使得絲素蛋白纖維更親水。不同的離子對絲素蛋白纖維分子中的肽鍵有不同的作用。例如，鈣鹽溶劑中的鈣離子(Ca2+)可以形成水合鈣，它與絲素蛋白中絲氨酸和酪氨酸的側(cè)鏈上的羥基形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，同時去除多肽鏈之間的氫鍵和范德華力。絲素蛋白的溶解特征歸因于各種溶劑的差異。不同的溶劑產(chǎn)生不同的水解絲素蛋白分子鏈，并導(dǎo)致生成不同的R基。

5 絲素蛋白纖維紡絲方法

5.1 濕法紡絲

濕法紡絲工藝的特點是簡單，效率高，成本低，可操作性強(qiáng)，環(huán)境兼容性大。由于溶解過程中溶劑對絲素蛋白結(jié)構(gòu)造成破壞，絲素蛋白纖維通常比較脆弱，這阻礙了它在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用。目前，大量的工作致力于提高絲素蛋白纖維的力學(xué)性能和功能性[35]?？梢詫⒔z素蛋白溶液通過壓力泵擠入噴絲頭，然后經(jīng)濕法紡絲工藝紡得再生絲素蛋白纖維。初生纖維在纏繞于卷繞裝置的過程中被逐步拉伸。

5.2 靜電紡絲法

靜電紡絲是一種廣泛使用的纖維成型技術(shù)，通過使用高壓電場可以生產(chǎn)直徑范圍從幾納米到幾微米的聚合物纖維[36]。單一納米纖維和復(fù)合納米纖維具有不同的形態(tài)，可通過靜電紡絲法獲得一維(1D)到三維(3D)的組裝體。重要的是，這些具有高表面積/體積比、孔隙率可調(diào)節(jié)和易表面功能化的納米纖維，為其應(yīng)用提供了許多可能性，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如抗菌墊、快速止血貼劑、傷口敷料、藥物輸送系統(tǒng)及組織工程等。

ZARKOOB等[37]報道了以HFIP為溶劑、靜電紡絲技術(shù)制備的再生絲素蛋白纖維。杭怡春等[38]研究了再生絲素/絲膠共混紡絲，并探討了其在生物醫(yī)用材料方面的應(yīng)用前景。調(diào)整設(shè)備結(jié)構(gòu)可生產(chǎn)不同結(jié)構(gòu)的靜電紡絲纖維，如圖4所示。

(a) 多孔

(b) 空心

(c) 納米線

(d) 三維支架

6 結(jié)論

蛋白作為一種天然生物聚合物，已被證明是一種令人驚嘆的生物醫(yī)用材料。絲素蛋白作為一種“綠色”材料正在被開發(fā)，這是對生物相容性或可持續(xù)性至關(guān)重要的先進(jìn)生物應(yīng)用。近年來，絲素蛋白應(yīng)用迅速發(fā)展，其可以作為激活藥物傳輸?shù)妮d體、食品的涂層/傳感器、高性能水過濾器等。特別是，絲素蛋白在生物醫(yī)用領(lǐng)域受到重視，可用于縫合傷口、藥物遞送、血管組織再生、皮膚傷口敷料和骨組織支架等。目前，絲素蛋白已經(jīng)成功應(yīng)用于神經(jīng)、皮膚、骨骼、血管、肌腱、韌帶和角膜組織，在生物醫(yī)用材料方面有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>