蠶絲蛋白微球制備方法的研究進展

盧 晨，張 捷，王亞飛，龍 丹，閆書芹，張 強

(武漢紡織大學 先進紡紗織造及清潔生產(chǎn)國家地方聯(lián)合工程實驗室，湖北 武漢 430073)

蠶絲蛋白微球制備方法的研究進展

盧 晨，張 捷，王亞飛，龍 丹，閆書芹，張 強*

(武漢紡織大學 先進紡紗織造及清潔生產(chǎn)國家地方聯(lián)合工程實驗室，湖北 武漢 430073)

蠶絲蛋白微球是目前國內(nèi)外藥物緩釋研究的熱點。綜述了基于不同原理和方法制備絲蛋白緩釋微球的研究現(xiàn)狀及其難以產(chǎn)業(yè)化的原因，分析了現(xiàn)有絲蛋白微球加工成型中存在的問題，提出了可能的解決方案，展望了絲蛋白微球制備和其應用前景。

蠶絲蛋白；緩釋微球；制備方法；研究進展

蠶絲作為一種天然蛋白質(zhì)纖維具有優(yōu)異的機械性能，良好的生物相容性和生物降解性。同時作為天然高分子材料的蠶絲絲素蛋白來源于生物體，其氨基酸序列中攜帶的部分生物信息可被細胞識別；絲素蛋白是由蠶的絹絲腺內(nèi)壁上的內(nèi)皮細胞分泌的高純度蛋白質(zhì)，不含細胞器，與人類之間無病原微生物交叉感染的風險，其生物安全性得到可靠保障；可被生物降解，最終產(chǎn)物為氨基酸或寡肽易被機體吸收；可被溶解、純化后加工成多種形態(tài)的材料。因此絲素蛋白已被用于化妝品和食品添加劑約三十年，在手術(shù)縫合線領域也有近百年的使用歷史[1]。現(xiàn)已開發(fā)的絲素蛋白創(chuàng)面保護膜具有良好的生物相容性[2]，促創(chuàng)面重建的活性并改進了其可縫合性能[3]。在藥物緩釋和再生醫(yī)學微納載體領域，絲素蛋白微球與部分細胞、機體組織具有特殊的親和性，能夠?qū)⑺d藥物在靶區(qū)集中，從而實現(xiàn)對機體病灶的靶向治療[4]，表現(xiàn)出了極大的應用潛力和市場前景。因此絲素蛋白緩釋微球的制備、結(jié)構(gòu)、性能和應用，已成為了目前醫(yī)藥制劑和再生醫(yī)學領域的研究熱點和重點。

1 絲素蛋白微球的制備方法

目前國內(nèi)外微球制備的方法有很多種，不同的制備方法可獲得從幾十納米到幾百微米不等的微球，且微球的性能和應用也有一定差異，如載藥率、藥物釋放速度等。因此微球制備方法的選擇對微球最終的性能和釋藥效率至關重要?，F(xiàn)有的絲素微球制備方法包括乳化法、膜乳化法、相分離法、噴霧干燥法、自組裝法、生物礦化模板法、溶劑蒸發(fā)法、電場調(diào)控法等。

1.1 乳化法

乳化法是制備微球最常用的方法，它是將絲素溶液加入到含有一定量乳化劑的油相中，在一定的條件下形成O/W或W/O型微顆粒，然后在蛋白質(zhì)變性誘導劑的作用下形成結(jié)構(gòu)致密的絲素微球，經(jīng)干燥后獲得微球。

用乳化法制備微球時微球的成型受諸多因素的影響，如攪拌速率、乳化劑濃度、有機溶劑種類和使用比例、乳化時間。楊道偉等[5]利采用乳化固化法制得形態(tài)圓整，粒徑分布在4-40 μm二甲雙胍絲素微球。葉漫文等[6]采用無機乳化交聯(lián)法，以京尼平為交聯(lián)劑制備了形態(tài)規(guī)則、表面光滑、粒徑為(7.84±0.97)μm的絲素蛋白-殼聚糖微球，且研究表明該微球載藥率和緩釋效果理想。Juthamas R等[7]采用W/O乳化法制備了形狀規(guī)整、濕態(tài)下粒徑為297-367 μm的絲素/明膠混合微球，實現(xiàn)運載胡椒堿和姜黃素的雙釋放系統(tǒng)構(gòu)建，提高了微球的載藥率和生物降解周期，增強了藥物緩釋效果。Go N K等[8]利用乳化交聯(lián)法制備了粒徑為0.8-2.1 μm載有葡萄聚糖的絲素蛋白微球，成功應用于3T3細胞的攝入及其生長和繁殖的研究。Sinthops等[9]采用乳化交聯(lián)法制備了粒徑為720-900 μm、表面有明顯溝槽的明膠/絲素微球，研究表明微球的粒徑受明膠/絲素比例的影響。Mangkorn S A等[10]利用乳化分散法制備了球形、表面光滑、平均粒徑為158 μm、載藥率高達83%的絲素微球。Cheng C等[11]利用乙醇將絲素大分子自組裝成納米顆粒，然后將納米顆粒懸浮在聚己內(nèi)酯(PCL)的氯仿溶液中，通過乳化法制備出外層為PCL，內(nèi)層為絲素納米顆粒的微球，為裝載并持續(xù)緩釋敏感性藥物提供了載體。

與傳統(tǒng)的噴霧干燥、溶劑揮發(fā)等方法相比，乳化法制備微球常溫常壓下可實現(xiàn)，且形成的微球形狀理想，結(jié)構(gòu)致密，載藥量和緩釋效果均比較理想；但微球基本為微米級，制備過程繁瑣成本較高，難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，且有機溶劑的殘余會產(chǎn)生一定的生物學副作用甚至毒性，也會對環(huán)境保護造成壓力。這在一定程度上限制了該方法的進一步推廣和使用。

1.2 膜乳化法

膜乳化法制備微球是利用連續(xù)相在膜表面流動時，分散相在外壓力作用下通過微孔膜的微孔在膜表面形成液滴，當液滴的直徑達到某一臨界值時便從膜表面剝離進入連續(xù)相；與此同時，溶解在連續(xù)相中的乳化劑會吸附在液滴的表面以降低液滴表面張力，促進液滴剝離膜表面，阻止了液滴聚集和粗化。Wang X Q等[12]以脂質(zhì)體為模板制備了以辣根過氧化酶為模型藥物、粒徑約2 μm的絲素蛋白微球。Ito F等[13]利用玻璃膜乳化技術(shù)(SPG)結(jié)合溶劑揮發(fā)法，制備水溶性藥物藍色葡聚糖(blue dextran)的可生物降解聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)微球。影響膜乳化過程的參數(shù)主要包括膜微孔孔徑和分布、膜的孔隙率、膜表面類型、乳化劑類型及含量、分散相流量、連續(xù)相速度、溫度和操作壓差等[14]。膜乳化法制備的微球表面光滑，粒徑分布均一，微球單分散性好，包覆率高，突釋效應小，微球制備重復性好[15-17]。但此法工藝較復雜，對所用模板的材料和性能要求較高，特別是納米球的表面能大難以有效剝離，難制備，因此該方法在制備絲素微球應用中存在很大的局限性。

1.3 相分離法

相分離法是應用較為廣泛的微球制備方法，其原理是將高分子材料溶解在互不相溶的兩種液體中，利用材料在兩種溶液中溶解性能的不同而形成微球，再采用過濾、冷凍干燥等方法得到微球。該法還可以通過改變制備環(huán)境溫度、pH值及非有機溶劑種類等來實現(xiàn)相分離。相分離法包括單凝聚法、復凝聚法、溶劑-非溶劑法、鹽析法等。

Wang X Q等[18]運用相分離法，使用聚乙烯醇(PVA)與絲素制備絲素微粒，獲得了粒徑為300 nm-20 μm、藥物可控性和尺寸可控性較好的微球。Xie R J等[19]用油相分離凝聚法并以戊二醛為交聯(lián)劑制備了平均粒徑16.2-34.7 μm、緩釋效果較好的載藥緩釋微球。Yoo S H等[20]利用相分離法，通過在微球表面添加多壁碳納米管制備了粒徑為3-5 μm的導電絲素蛋白微球。Zhang Y Q等[21]將再生絲素溶液調(diào)節(jié)濃度為5%(wt),磁力攪拌下快速注入過量丙酮中，離心、洗滌去除丙酮后制備了粒徑為35-125 nm的絲素納米微球。用相分離法制備微球需要控制的因素較多，且要使用大量有機溶劑作為凝聚劑，易產(chǎn)生生物毒性、環(huán)境污染等問題，相分離方法不適合制備納米微球粒。

用鹽析法制備微球是利用蛋白質(zhì)在溶液中溶解度的變化來實現(xiàn)的，也是相分離法的一種形式，主要是由于大量中性鹽的加入降低了活度，即原來溶液中的大部分甚至全部的自由水分子轉(zhuǎn)變?yōu)辂}離子的水化水分子[22]。此時那些被迫與材料表面的疏水基團接觸并掩蓋這些疏水基團的水分子成為下一步可自由移動的水分子，因此當溶劑化的鹽離子移去時留下暴露出來的疏水基團。隨著鹽濃度的增加，材料疏水表面進一步暴露，由于疏水作用材料聚集而沉淀。Lamme A S等[23]將磷酸鉀加入到絲素蛋白溶液中，使絲素蛋白鹽析出直徑在486-1 400 nm之間的顆粒，且當溶液的pH值在4-9范圍內(nèi)時，隨著pH值的增大，微球的分散性逐漸增加，粘連較少。王娟等[24]采用離子誘導柞蠶絲蛋白形成直徑為100-400 nm、形狀規(guī)整、分布均勻、產(chǎn)率可高達95%以上的絲素微球，且研究表明高價態(tài)的陽離子能夠縮短微球形成時間，形成尺寸較小的微球。用鹽析法制備載藥微球，載藥過程簡單，二級結(jié)構(gòu)可控較好，可制備出裝載小分子量藥物的絲素微粒是其優(yōu)點，具備一定潛力。

1.4 溶劑法(共沉淀法)

1988年Ogawa等[25]首先提出使用溶劑蒸發(fā)法制備微球，它是將含有藥物的水溶液(或者緩沖液)加入含有載體材料和與水不互溶的溶劑有機溶劑(如二氯甲烷)中，在乳化劑作用下經(jīng)過高速攪拌或超聲乳化器乳化形成水包油(W/O)或水包油包水(W/O/W)型乳化液。最后采用升溫、減壓抽提或連續(xù)攪拌等方法，蒸發(fā)去除有機溶劑，經(jīng)過洗滌、離心和冷凍干燥制備成載藥微球[26]。Chen等[27]采用共沉淀法制備了平均粒徑為(398.7±99.86)nm，載藥率達4.53%±0.08%的微球。Srisuwan Y等[28]采用乳化溶劑揮發(fā)法制備了表面光滑、粒徑為80-150 μm的絲素微球。溶劑法具有操作簡便、重現(xiàn)性好、包封率相對較高、無需特殊設備等優(yōu)點，但也仍然存在控制手段要求嚴格、水溶性藥物載藥率低等問題。

1.5 噴霧干燥法

用噴霧干燥法制備微球是指在一定壓力下將高分子溶液以液滴的形式噴入熱氣流中，溶劑迅速蒸發(fā)后，液滴中的高分子形成微球或微囊的過程。Yeo J等[29]用微型噴霧干燥器在流速為20 ml/min、85 ℃條件下獲得平均粒徑為4-10 μm絲素蛋白微球。邵正中等[30]采用高壓靜電噴霧法制得了單分散且粒徑可控的絲素蛋白微球，并通過在電噴液中添加水溶性藥物或磁性無機粒子實現(xiàn)藥物的包埋和靶向傳遞。采用噴霧干燥法制備微球，微球的形貌、直徑等與高分子溶液的濃度、噴嘴直徑、噴霧速度和溫度等密切相關?？梢灾苯訌娜芤褐蝎@得絲素微球，操作簡單方便，微球載藥穩(wěn)定性和載藥率相對較高，且載藥率和藥物釋放速度都可在一定程度上加以控制。但是用噴霧干燥法制備微球常需要高溫條件，對熱敏感藥物會帶來致命損害，導致失活；高分子微球可能會出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，對微球粒徑控制非常困難；設備投資較大，不易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

考慮到噴霧干燥法中高溫條件所造成的不利影響，在噴霧干燥法基礎上改進控溫裝置，可實現(xiàn)低溫處理。低溫噴霧干燥法類似于噴霧干燥法，區(qū)別在于溶液經(jīng)噴頭噴出之后進入冰凍的乙醇溶液，在-70 ℃條件下用乙醇除去有機溶劑，然后再去除乙醇經(jīng)干燥得到微球。吳豪翔等[31]利用低溫噴霧干燥法制備了包埋效率高的載藥絲素微球。低溫噴霧干燥法雖然制備微球工藝簡單，可操作性強，但仍需要復雜儀器設備，且微球粒徑不易控制。

1.6 自組裝法

自組裝是指具有納米尺度的微粒子自發(fā)形成規(guī)則結(jié)構(gòu)的過程。蛋白質(zhì)和多肽等物質(zhì)自組裝主要是依靠氫鍵、靜電相互作用和疏水作用等次價鍵作用力來實現(xiàn)的。Shi P等[32]采用自組裝方法制備了平均直徑約為980 nm的絲素微球。Chen M等[33]將模型藥物紫杉醇(PTX)溶解在乙醇中，然后與絲素溶液混合，在-20 ℃的條件下冷凍24 h獲得絲素微球。朱良均等[34]利用冷凍剪切自組裝法，在不添加任何有毒化學交聯(lián)劑的情況下制備了粒徑為1-5 μm的絲素微球。Cheng C等[35]利用自組裝法制備絲素微球，并將微球與氯仿溶液共同制備成微膠囊，該微膠囊尺寸可控，可滲透性好。王春增等[36]利用冷凍干燥法制備呈圓形、粒徑在300-900 nm、載藥率為4.5%左右的絲素蛋白(SF)/重組人骨形成蛋白2(rhBMP-2)緩釋微球。吉立靜等[37]利用自組裝制備了粒徑為210-320 nm、分散指數(shù)約0.17、呈圓形、包封率及載藥質(zhì)量分數(shù)分別可達40.27%及1.22%載有姜黃素的絲素蛋白微球；且研究表明隨著絲素蛋白質(zhì)量分數(shù)的增加，載藥微球粒徑增大。用自組裝法制備微球生產(chǎn)工藝簡單，反應條件溫和，產(chǎn)量高、不引入有害溶劑，并可實現(xiàn)親水性或疏水性兩種藥物的負載，應用前景廣泛。但微球的尺寸及其分散性還有待優(yōu)化。

1.7 電場調(diào)控法

用電場調(diào)控技術(shù)制備載藥微球是利用絲素蛋白在電場正極電荷作用下發(fā)生聚集的現(xiàn)象，從而實現(xiàn)微球制備的過程。黃永利等[38]利用低壓電場變化來調(diào)控絲素蛋白在溶液中的構(gòu)象,在絲素溶液濃度低于1%(wt)的條件下制備絲素微球，并通過調(diào)節(jié)低壓電場強度和作用時間，獲得直徑為200 nm-3 μm的絲素蛋白微球，異硫氰酸熒光素標記的牛血清蛋白(FITC-BSA)載藥效果顯示其緩釋效果良好。

高壓靜電分化技術(shù)是一種利用電流體動力學射流技術(shù)制備高分子納米粒子，或纖維狀物質(zhì)的方法[39]。Xie J等[40]采用同軸高壓靜電噴射技術(shù)制備了大小為幾個微米、緩釋效果和藥物活性良好的微球膠囊。Xu Q等[41]通過同軸高壓靜電技術(shù)將阿霉素裝載到PLGA中的同時在外層包裹一層聚乳酸(PLLA)，實現(xiàn)藥物的緩慢釋放。Leisk G G等[42]研究發(fā)現(xiàn),在低壓電場作用下,絲素蛋白能在正極形成含有大量亞微米尺度微球的類凝膠物質(zhì),其在室溫和體溫下能夠保持穩(wěn)定。在此基礎上通過對絲素蛋白溶液進行預處理，成功制備出具有不同尺度的微球。王璐等[43]采用同軸高壓靜電技術(shù)和冷凍干燥法制備了粒徑為100-500 μm的具有殼層多孔結(jié)構(gòu)的載藥微球，在此基礎上瞿靜等[44]采用高壓靜電分化和冷凍干燥相結(jié)合的技術(shù)制備了粒徑為170-224 nm、球形，粒徑分布均勻、分散性較好、可控性較好的絲素蛋白納米顆粒。Qu J等[45]同樣利用高壓靜電法制備了粒徑約為208.4-727.3 μm的表面孔徑為0.3-10 μm的多孔絲素微球。Wesher W等[46]采用層流技術(shù)制備了粒徑為101-440 μm的絲素蛋白微球，且微粒的直徑與噴嘴的直徑、絲素蛋白的預處理有著密切的關系。用電場調(diào)控制備微球，條件溫和(低壓電場、室溫或低溫、水環(huán)境)，更有利于溫度敏感藥物如蛋白質(zhì)藥物的包覆。不用或少用有機溶劑，無生物毒副作用等優(yōu)點使得此法具有較好的應用前景。

1.8 超臨界流體技術(shù)

用超臨界流體技術(shù)制備微球在近幾年受到研究者的重視，超臨界流體是指超過臨界點高溫高壓的狀態(tài)。它是利用溶液中溶質(zhì)在超臨界狀態(tài)附近溶解度的變化來制備微球，其常用方法有三種：超臨界溶液快速膨脹(RESS)、氣體抗溶劑(GAS)、超臨界抗溶劑(SAS)。超臨界溶液快速膨脹法就是將模型藥物溶解在超臨界流體中，然后通過小孔噴出，超臨界溶液快速膨脹解壓，溶質(zhì)溶解能力降低而析出形成均一的微球。此法適用于能夠溶解于超臨界流體的物質(zhì)，不太適用于蛋白質(zhì)微球的制備。氣體抗溶劑和超臨界抗溶劑比較類似，先將溶質(zhì)溶解于有機溶劑中，然后與超流體接觸，超臨界流體與有機溶劑互溶的結(jié)果使得有機溶劑喪失對原有溶質(zhì)的溶解能力，原來的溶質(zhì)析出形成顆粒[47]。制備微球時，蛋白質(zhì)可以和載體材料同時溶解在極性溶劑中，或以顆粒形式懸浮于溶解了載體材料的溶劑中。所得顆粒的性質(zhì)與使用的溶劑和抗溶劑的種類、制備溫度和壓力、操作方式都有關。GAS/SAS過程制備微球技術(shù)的優(yōu)點是過程簡單，通常只需一步即可完成，顆粒的粒徑小，分布窄，使用溶劑量少，溶劑殘留量很少，條件相對溫和，對藥物破壞小等。但該方法的缺點也比較明顯，比較適合于結(jié)晶度較高的聚合物，對于無定形或結(jié)晶度很低的聚合物，則由于聚合物在超臨界流體中被塑化而很難形成顆粒。此外，由于該技術(shù)的研究還不深入，目前尚未見到比較理想的包封率和回收率，體外和體內(nèi)藥物釋放的數(shù)據(jù)也不多。

1.9 其他制備方法

Solgas等[48]采用以硅為核心，利用甲醇溶液誘導變性，絲素溶液層層包覆的方法制備了粒徑為3.5 μm左右、粒徑可控的絲素微球。Zhang X L等[49]利用生物模板礦化法制備了粒徑為100-1 000 nm的絲素蛋白微球，采用生物模板礦化法制備微球可以很好地控制微粒的尺寸。Wen X G等[50]利用超細粒子處理系統(tǒng)法制備了包覆增強型綠色熒光的絲素微球，微球的包覆率高達95%。Shi L B等[51]將5%(wt)絲素溶液在37 ℃條件下濃縮5 h獲得固體狀絲素，經(jīng)粉碎、篩選獲得粒徑約為150 μm的絲素微球。

2 改善微球粒徑和分布的策略

微球的粒徑及粒徑均一性是影響微球載藥和藥物緩釋的決定性因素。目前制備微球的方法要精確控制微球的尺寸，尤其是納米級微球尺寸和均勻分散控制，仍存在挑戰(zhàn)。因此精確控制粒徑大小和均勻分散，真正實現(xiàn)絲素納米微球粒徑及分布的可控性，將極大地促進絲素納米微球在藥物緩釋和再生醫(yī)學領域的應用。對于不同要求的絲素微球，其成型也常采用不同的手段和策略。首先，在制備過程中注意各個參數(shù)的調(diào)控、條件優(yōu)化及相關設備的改進。以乳化法為例，可以通過對乳化時間、攪拌速率、乳化劑種類、有機溶劑種類及相關比例進行調(diào)控，從而達到對微球粒徑及其分布控制的目的。其次，在絲素蛋白的再生過程中，絲素分子量的分布是一個較寬的范圍，如果能實現(xiàn)對絲素蛋白分子量的精確控制，則易于對其形成的絲素微球的尺寸等參數(shù)進行調(diào)控。再次，在絲素微球制備過程中，通過添加另一高分子材料如多糖[52]等，改變絲素溶液的化學勢，能有效促進絲素大分子的自組裝，實現(xiàn)絲素微球參數(shù)的調(diào)控。最后，利用兩種或以上高分子材料復合形成殼-核結(jié)構(gòu)微球或?qū)訉咏M裝結(jié)構(gòu)，可以有效調(diào)控微球的粒徑分布、緩釋效果和降解速率，甚至有可能實現(xiàn)長期等速給藥釋放，避免出現(xiàn)突釋效應。

3 展望

絲素蛋白微球具有良好的表面效應，應用在生物醫(yī)藥方面可實現(xiàn)靶向治療減少藥物用量，提高藥物的使用效率和利用率，減輕藥物的毒副作用，提高藥物特別是蛋白質(zhì)類敏感性藥物的穩(wěn)定性，改善難溶性藥物的吸收等。且其生物降解速率可通過調(diào)控微球的粒徑和二級結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，因此絲素蛋白作為藥物緩釋載體具有巨大潛力。但是在目前絲素蛋白微球的制備過程中微球尺寸大小，微球的分散性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等仍存在一定的問題。首先，再生絲素溶液的分子量不能精確控制，導致絲素微球的尺寸不勻，如何精確分級獲得絲素蛋白大分子是絲素微球尺寸均勻的前提。其次，在微球制備過程中，盡量少或不引入有毒化學試劑，如可考慮利用電場調(diào)控結(jié)合自組裝的方法來制備絲素微球。再次，根據(jù)絲素微球的特性，選擇合適的模型藥物是科學評價微球載藥和緩釋的必要條件。最后，充分研究絲素微球結(jié)構(gòu)、形貌與其釋放性能、靶向作用的關系，進而指導微球的制備和優(yōu)化，以更好地滿足載藥緩釋的要求。盡管對絲蛋白微球的研究已取得了很多創(chuàng)新性成果，但至今仍未有真正市場化的產(chǎn)品出現(xiàn)。因此如何獲得理想的絲素微球以促進生物醫(yī)學的進步，改善人類的健康依然充滿挑戰(zhàn)。

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Research Progress of the Preparation Methods of Silk Fibroin Microsphere

LU Chen, ZHANG Jie，WANG Ya-fei, LONG Dan, YAN Shu-qin, ZHANG Qiang*

(Advanced National and Local Joint Engineering Laboratory of Spinning, Weaving and Clean Produce,Wuhan Textile University, Wuhan 430073, China)

Silk fibroin microspheres were research hotspots in domestic and foreign drug delivery research field. The current research status of silk fibroin drug release microspheres prepared by different principles and methods and the reason for difficult to industrialization were summarized. The existing problems of silk fibroin microspheres molding were analyzed. The solutions and the prospects of silk fibroin microsphere preparation and application were proposed.

silk fibroin; microsphere; preparation method; research progress

2016-06-29；

2016-09-05

國家自然科學基金項目(51303141；51403163)；湖北省教育廳重點項目(154004)

盧 晨(1991-)，女，碩士研究生在讀，主要研究方向為蠶絲蛋白藥物控釋微載體，E-mail:13260656016@163.com。

*通信作者：張 強(1982-)，副教授，E-mail：qiang.zhang@wtu.edu.cn。

O629

A

1673-0356(2016)09-0001-01