絲素蛋白水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

張 悅，饒 婷，吳美玲，陳佳琳，左保齊

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

絲素蛋白是從蠶繭繭絲中獲得的一種天然高分子蛋白質(zhì)材料，它一直作為纖維原料廣泛地應(yīng)用于紡織、服裝行業(yè)中[1]。實(shí)際上，絲素蛋白(SF)不僅具有優(yōu)異的加工性、熱穩(wěn)定性、生物相容性、機(jī)械性能和可調(diào)節(jié)的生物降解性[2]，而且易于加工成各種形態(tài)的材料。其中，絲素蛋白水凝膠便是蛋白材料的一種重要形態(tài)，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)或生物學(xué)改性可以使其更加廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[3]。

絲素凝膠一般是由再生絲素溶液制得，具有柔軟性、可塑性，且對(duì)于氣體、低分子物質(zhì)或者一些高分子物質(zhì)還具有透過(guò)性，是制備人工皮膚、隱形眼鏡、藥物緩釋載體、酶固定化載體、細(xì)胞培養(yǎng)支架等生物醫(yī)學(xué)材料的較好選擇。但是，目前絲素凝膠主要用于軟組織用材料，用常規(guī)強(qiáng)極性過(guò)飽和鹽溶解方法制備的絲素凝膠比較脆弱。因此，提高材料的力學(xué)性質(zhì)和功能性是絲素凝膠材料真正實(shí)現(xiàn)實(shí)用性的一個(gè)重要關(guān)節(jié)[3]。

1 絲素蛋白結(jié)構(gòu)

絲素蛋白是蠶絲纖維的重要組成部分，主要由18種氨基酸組成。其中甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸大約占總質(zhì)量的85%，它們按照特定的序列結(jié)構(gòu)排列成規(guī)整的鏈段[4]。甘氨酸、丙氨酸和絲氨酸的殘基主要存在于結(jié)晶區(qū)[5]，而帶有較大側(cè)基的苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等主要存在于非晶區(qū)域[4]。由此亦知，絲素蛋白存在著結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)兩個(gè)區(qū)域[5]。

正是由于絲素蛋白獨(dú)特的二級(jí)大分子鏈段結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機(jī)械性能、良好的熱穩(wěn)定性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注，尤其在組織工程、創(chuàng)傷治愈和細(xì)胞增殖方面應(yīng)用前景廣闊[4]。人們也正在努力地對(duì)其氨基酸組分及結(jié)晶結(jié)構(gòu)等理化性能進(jìn)行不斷深入的研究，國(guó)內(nèi)外對(duì)其的應(yīng)用正在從傳統(tǒng)紡織領(lǐng)域向生物醫(yī)藥領(lǐng)域拓展[6]。

2 絲素纖維溶解再生

2.1 氯化鈣-乙醇-水的三元溶解體系溶解

最理想的絲素溶液是既能拆開分子間的連接，而又不破壞多肽鏈。因此，尋找溫和條件下容易溶解絲素的溶劑就尤為重要。

解谷生[7]研究了較低溫度條件下絲素在氯化鈣-乙醇-水體系中的溶解度，發(fā)現(xiàn)絲素在氯化鈣∶乙醇∶水以摩爾比為1∶2∶8組成的溶劑中顯示出最大溶解度，該溶液具有較低的表面張力和較大的膨化力。

陳佳弘等人[8]探討了不溶性絲素蛋白向可溶性再生絲素蛋白轉(zhuǎn)化的條件并分析絲素蛋白結(jié)構(gòu)變化對(duì)其溶解性的影響。結(jié)果顯示，以氯化鈣-乙醇-水體系加熱溶解絲素的過(guò)程中，絲素蛋白首先從溶劑中吸收水，水分被絲素蛋白所束縛，導(dǎo)致絲素體積膨脹。其次絲素發(fā)生斷裂成為片層狀，導(dǎo)致具有高度結(jié)晶結(jié)構(gòu)的絲素纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，其以 β-折疊為基礎(chǔ)的有序結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)氫鍵轉(zhuǎn)向與水的高度水合，實(shí)現(xiàn)可溶性。

2.2 溴化鋰溶解

在60 ℃恒溫條件下，用質(zhì)量比為44∶55∶11的LiBr/C2H5OH/H2O溶液溶解純絲素纖維，攪拌充分后，獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的絲素溶液。絲素溶液冷卻后進(jìn)行自來(lái)水和去離子水透析，再將經(jīng)過(guò)濾后的溶液在常溫下倒于聚苯乙烯皿中，使其干燥成膜。該方法操作過(guò)程簡(jiǎn)單，但可能會(huì)造成溶解不透徹，透析后會(huì)產(chǎn)生白色固體。

Hyeon Joo Kim等人[9]利用LiBr水溶液溶解，并控制纖維素和絲素蛋白的量制備纖維素/絲素蛋白水凝膠，這種凝膠具有高度多孔的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顯示出高吸水性。

YanfeiFeng等人[10]采用溴化鋰水溶液作為絲素蛋白和纖維素溶解共混的新型溶劑體系，制備了拉伸強(qiáng)度較高的絲素蛋白/纖維素納米復(fù)合膜，此膜可能在組織工程中有廣泛應(yīng)用。

2.3 甲酸/氯化鈣溶解

在室溫下，將無(wú)水氯化鈣溶解于一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的甲酸溶液中，經(jīng)磁力攪拌使氯化鈣充分溶解。再將一定量純絲素纖維溶于甲酸/氯化鈣溶液中，經(jīng)磁力充分?jǐn)嚢韬筮^(guò)濾倒在培養(yǎng)皿中干燥，然后用去離子水去鹽獲得凝膠膜。該方法制得的膜具有應(yīng)力小、伸長(zhǎng)好的特點(diǎn)。

別詩(shī)宇[11]采用此種溶解方法，改變絲素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及浸泡時(shí)間，并且對(duì)類凝膠膜的結(jié)構(gòu)性能做了一系列表征及比較。

HaiyanWang等人[12]將蠶絲溶于氯化鈣/甲酸溶劑中，制得含有不同直徑和長(zhǎng)度的天然絲素纖維的靜電紡絲溶液，再經(jīng)乙醇處理后，絲素蛋白納米纖維的力學(xué)性能得到明顯改善。甲酸/氯化鈣溶解是酸鹽法中的一種，酸鹽法制備絲素蛋白水凝膠的酸固定為甲酸，鹽的種類包括鋰、鈣、鍶、鋇的氯化物、溴化物、碘化物、硝酸鹽，硫氰酸鹽等。在這些鹽溶液中，絲素能無(wú)限膨潤(rùn)最后溶解成為粘稠的溶液。

2.4 四水硝酸鈣溶解

Ca(NO3)2·4H2O在常溫下是吸濕性化合物，在100℃熔融時(shí)通常用作繭或絲的溶劑。

Dong SuIm等人[13]驗(yàn)證了絲素蛋白/甲酸溶液的凝膠化反應(yīng)來(lái)源于硝酸鹽的加入，硝酸鹽誘導(dǎo)溶液的生長(zhǎng)，呈淡黃色凝膠。

FengguangLi等人[14]使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40% Ca(NO3)2，繭或絲與溶劑的比例為1∶10，此時(shí)繭或絲被最佳地溶解，溶解時(shí)間為69 min。由于硝酸鈣的溶解，絲素蛋白可以通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)而溶于水，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

2.5 有機(jī)溶劑溶解

閔思佳等人[15]分別在絲素蛋白質(zhì)溶液中添加有機(jī)溶劑苯，乙烷，硝基甲烷，二甲亞砜，N，N-二甲基甲酰胺，丙酮，甲醇，乙醇，制成絲素膜。他們對(duì)制得的絲素膜進(jìn)行了溶解率測(cè)定和紅外吸收光譜測(cè)定。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，不溶于水的非質(zhì)子有機(jī)溶劑不與絲素蛋白質(zhì)溶液相溶，很難對(duì)絲素蛋白質(zhì)溶液產(chǎn)生作用。而極性非質(zhì)子和質(zhì)子有機(jī)溶劑達(dá)一定添加量時(shí)都會(huì)使絲素膜的溶解率下降或引起凝膠化或沉淀。

3 絲素蛋白水凝膠的制備及力學(xué)性能

3.1 共聚法制備復(fù)合水凝膠

目前，大多普通的水凝膠存在著強(qiáng)度低、溶脹性能低、穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，而復(fù)合水凝膠正好能解決其中的某些問(wèn)題。

XiaoyeMa等人[16]采用自由基共聚法合成了一種以絲素(SF)和聚丙烯酸鈉(PAAS)為基礎(chǔ)的自膨脹水凝膠，該水凝膠具有高溶脹比和良好的藥物釋放能力，可能在藥物傳遞或其他植入式材料中具有潛力。

QiangLv等人[17]通過(guò)添加1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)的蛋白/膠原蛋白溶液直接制備成纖維蛋白/膠原蛋白水凝膠，從而誘導(dǎo)交聯(lián)。由于其固有的生物相容性、優(yōu)良的機(jī)械和熱性能以及綠色的制備過(guò)程，纖維蛋白/膠原蛋白的水凝膠將成為組織工程的有前景的支架。

S Ryu等人[18]研究表明，絲素蛋白微凝膠嵌入聚乙二醇(PEG)水凝膠的雙模交聯(lián)基于巰基光點(diǎn)擊化學(xué)和β片形成的SF，通過(guò)物理和化學(xué)交聯(lián)制備的SF-PEG混合水凝膠作為需要對(duì)水凝膠進(jìn)行時(shí)間控制的三維細(xì)胞培養(yǎng)的良好候選物。

Biman B Mandal等人[19]用不同比例的由N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)的絲蛋白/丙烯酰胺混合物合成水凝膠，該凝膠可應(yīng)用于受控藥物遞送。

Giuliano Freddi等人[20]用金屬絡(luò)合物溶液溶解任何比例混合而成的絲素蛋白和纖維素來(lái)獲得透明薄膜。力學(xué)性能表明，絲素蛋白膜的強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均通過(guò)與纖維素混合而得到改善。紅外光譜顯示絲素蛋白的骨架頻率發(fā)生變化，表明絲素蛋白和纖維素之間通過(guò)氫鍵形成發(fā)生分子間相互作用。

Benjamin P Partlow[21]通過(guò)辣根過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫共價(jià)交聯(lián)絲蛋白中的酪氨酸殘基以產(chǎn)生具有可調(diào)特性的高彈性水凝膠，這些基于蛋白質(zhì)的彈性體和可降解水凝膠是一種令人興奮的新型生物材料，具有獨(dú)特的組合性能，適用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)。

3.2 其他方法

Naresh Kasoju等人[22]用非溶劑誘導(dǎo)相分離原理制備蠶絲蛋白水凝膠，將重組后的絲素和甲醇(非溶劑)結(jié)合在一起，最終質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.5% 和12.5% 。分析表明，再生絲素蛋白-水-甲醇作為一種聚合物-溶劑-非溶劑三元相體系，其中水-甲醇相的分離改變了再生絲素蛋白-水相的熱力學(xué)平衡，導(dǎo)致了再生絲素蛋白-水相的分離和最終分離。

M K Sah等人[23]在4攝氏度(熱凝膠)和凍干性的情況下，將一種絲質(zhì)纖維的水溶液處理成絲蛋白水凝膠，并研究了纖維蛋白水凝膠的溶脹和熱流變特性。

Haiyan Wang等人[12]介紹了一種新型的電化聚美絲蛋白凝膠膜(ESFHM)的制備方法，該方法是在一種納米孔膜上形成的，用一個(gè)較高的直流電壓的自制裝置作為屏障，在Tris(三羥甲基氨基甲烷)緩沖液中再生的絲蛋白溶液(pH=6.55～ 7.55)被添加到一個(gè)帶負(fù)電荷的儲(chǔ)層中，而絲分子以80 V(DC)的正電荷遷移，形成了膜層的ESFHM。體外研究表明ESFHM是可降解的，對(duì)細(xì)胞粘附和生長(zhǎng)有足夠的作用，因此ESFHM是一種很有前途的候選物用于裝載生物活性蛋白和合適的細(xì)胞，如人造皮膚或用于移植的細(xì)胞。

3.3 絲素蛋白水凝膠的力學(xué)性能

3.3.1 復(fù)合水凝膠

考慮到現(xiàn)有水凝膠材料往往存在著機(jī)械強(qiáng)度差等缺陷，近年來(lái)研究者們做了不少關(guān)于復(fù)合水凝膠的研究以改善水凝膠的力學(xué)性能。

聚氨酯基絲素蛋白水凝膠是絲素蛋白復(fù)合水凝膠中的一種，因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有水凝膠的優(yōu)異生物相容性和聚氨酯材料在性能方面的可調(diào)性，一直受到研究人員的青睞[24]。

YipingHuang等人[25]制備了結(jié)合了天然/合成材料優(yōu)點(diǎn)的絲素蛋白-聚氨酯(SF-PU)水凝膠并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明水凝膠的彈性模量約0.558 MPa。

張海龍[24]制備了絲素蛋白-聚氨酯(SF-PU)兩性水凝膠并且通過(guò)萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)拉力機(jī)測(cè)試了該水凝膠的機(jī)械性能。當(dāng)SF/PU比例為65/35時(shí)，水凝膠材料的壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值0.577 MPa，當(dāng)SF/PU為50/50時(shí)水凝膠有著最大變形率為85.8%。

劉超[26]將聚氨酯與絲素蛋白的優(yōu)異性能結(jié)合起來(lái)，優(yōu)化合成工藝，制備出力學(xué)性能較好的聚氨酯-絲素蛋白水凝膠材料，然后利用壓縮測(cè)試研究該水凝膠材料的力學(xué)性能。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：水凝膠的壓縮行為顯示出非線性關(guān)系，具有一定程度的粘彈性；PEG分子量分別為2 000、1 000、 4 000和600時(shí)，水凝膠的壓縮模量分別在0.29～0.59 MPa、0.42～1.14 MPa、0.01～0.05 MPa和0.50～1.16 MPa范圍之內(nèi)，破壞性壓縮形變均大于66%；水凝膠的壓縮性能隨著PEG分子量的降低而增加，而且結(jié)構(gòu)中增加PEG或SF的含量均能提高其壓縮性能。

FulyaTaktak等人[27]制備了一系列基于絲素蛋白(SF)和甲基丙烯酸2-(N，N-二甲氨基)乙酯的新型復(fù)合水凝膠。溶脹和機(jī)械性能測(cè)試表明，水凝膠的最佳設(shè)計(jì)對(duì)于提供高度的吸水性，較高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率值是必不可少的。

劉羿君等人[28]以絲素蛋白纖維為填充材料，用自由基聚合的方法制備了復(fù)合聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPPAm)水凝膠，并采用 AR-G2型旋轉(zhuǎn)流變儀研究樣品的黏彈性能，測(cè)得剪切應(yīng)變?yōu)? .1%。由此可見，絲素蛋白纖維的加入改善了復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能。

陳思皓等人[29]利用絲素蛋白與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瓊脂糖混合制備了混合水凝膠，并分別對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀檢測(cè)了凝膠的力學(xué)性質(zhì)，測(cè)試結(jié)果顯示，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.10%和0.25%樣品的力學(xué)性質(zhì)較差，無(wú)法達(dá)到質(zhì)構(gòu)測(cè)定的要求，而含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.50%瓊脂糖的絲素蛋白水凝膠的硬度約為286 g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.00%瓊脂糖的絲素蛋白水凝膠則達(dá)到了約1 050g，瓊脂糖增加了0.50%，硬度則增加了3倍多，這表明瓊脂糖的含量的多少很大程度地影響著混合水凝膠的機(jī)械性能。

3.3.2 再生絲素蛋白水凝膠

再生絲蛋白是從蠶絲中得到的纖維狀蛋白質(zhì)，基于再生絲蛋白的水凝膠在多個(gè)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了重要的研究成果，有著巨大的應(yīng)用潛力，很多學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了研究。

DihanSu等人[30]制備了具有較好的強(qiáng)度和彈性的RSF水凝膠。這種“雙網(wǎng)狀”水凝膠分別顯示出約100%的伸長(zhǎng)率以及分別高達(dá)3.0 MPa和2.5MPa的壓縮模量和拉伸模量，這比物理交聯(lián)的天然聚合物水凝膠高得多。實(shí)驗(yàn)還表明，RSF水凝膠的綜合機(jī)械性能的增強(qiáng)來(lái)源于在RSF的構(gòu)象轉(zhuǎn)變過(guò)程中在水凝膠中形成小尺寸且均勻分布的β-折疊結(jié)構(gòu)域，其大小受由交聯(lián)劑形成的第一網(wǎng)絡(luò)限制。

龍星潼等人[31]圍繞再生絲蛋白水凝膠的性能進(jìn)行了概述，絲蛋白水凝膠的機(jī)械性能是決定其應(yīng)用的重要性能指標(biāo)之一。流變儀可以測(cè)出代表固體彈性行為的儲(chǔ)能模量G′，它反映著材料彈性大小，可以用于衡量水凝膠的強(qiáng)度。當(dāng)絲蛋白質(zhì)量濃度提高時(shí)，水凝膠的儲(chǔ)能模量和損耗模量會(huì)同時(shí)升高。純絲蛋白水凝膠在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(3%)的情況下只有10 Pa的儲(chǔ)能模量，機(jī)械性能非常差。提高質(zhì)量濃度并通過(guò)構(gòu)象轉(zhuǎn)變得到的絲蛋白水凝膠儲(chǔ)能模量可以達(dá)到3 kPa，而通過(guò)與其它高分子如聚乙二醇等共混，并引入化學(xué)交聯(lián)劑形成互穿或者半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水凝膠的儲(chǔ)能模量可以上升至200 kPa。高強(qiáng)度的絲蛋白水凝膠由于其模量較高，通常采用適用于固體的壓縮測(cè)試代替流變來(lái)研究其力學(xué)性能。10%的絲蛋白/羥丙基甲基纖維素水凝膠的強(qiáng)度可能達(dá)到1 MPa ，而引入表面活性劑的15%的絲蛋白水凝膠的壓縮模量則高達(dá)3.3 MPa。

3.3.3 新型水凝膠

JingjingWu等人[32]將絲素蛋白(SF)和羥基磷灰石(HA)納入殼聚糖∕甘油磷酸酯(GP)體系中制備新型水凝膠，并進(jìn)行了各種力學(xué)性能測(cè)試。流變學(xué)測(cè)試表明，殼聚糖/SF/GP和殼聚糖/SF/HA/GP凝膠的彈性模量分別可達(dá)1.8 kPa和15 kPa左右，遠(yuǎn)高于各自的粘性模量。壓縮測(cè)量表明，幾丁聚糖/SF/GP和殼聚糖/SF/HA/GP凝膠的模量和強(qiáng)度分別是殼聚糖/GP凝膠的8倍和20倍，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些凝膠的壓縮性能大大提高。

KunyuanLuo等人[33]以再生絲素蛋白(RSF)和羥丙基甲基纖維素(HPMC)為原料，通過(guò)簡(jiǎn)單的混合和加熱，制備了一種具有優(yōu)良力學(xué)性能的新型水凝膠。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最佳RSF/HPMC水凝膠的壓縮模量和拉伸模量均大于1.0 MPa。凝膠機(jī)理的研究表明，由于HPMC與RSF分子之間的氫鍵作用和疏水作用的協(xié)同效應(yīng)，較小的片層結(jié)構(gòu)更均勻分散的交聯(lián)有助于RSF/HPMC水凝膠的優(yōu)異力學(xué)性能。這種高強(qiáng)度絲蛋白基水凝膠使強(qiáng)大的水凝膠多樣化，并在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作為承重材料的候選物具有很好的前景。

3.4 水凝膠膜的力學(xué)性能

絲素被加工成絲素水凝膠膜具有可行性，然而，傳統(tǒng)方法溶解制備的絲素蛋白膜材料易于脆斷且機(jī)械性能往往達(dá)不到生物材料實(shí)用性的要求[11]。因此，采用多種方法得到凝膠膜并對(duì)膜的力學(xué)性能進(jìn)行分析以使其達(dá)到最優(yōu)是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

張捷[34]研究了ASF(柞蠶絲素蛋白)水凝膠、BSF(家蠶絲素蛋白)水凝膠、ASF/BSF共混膜的力學(xué)性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)ASF水凝膠力學(xué)性能差，而且凝膠在凍干后易碎，難以保持完整形態(tài)。在力學(xué)性能上，ASF/BSF共混膜的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)性能隨著BSF含量的增加而增加。

王海燕[35]進(jìn)行了新穎的家蠶絲素和蛹?xì)ぞ厶撬z膜的力學(xué)性能分析實(shí)驗(yàn)。她首先制備了蛹?xì)ぞ厶牵缓髮⒏牧嫉碾娪境练e方法擴(kuò)展運(yùn)用來(lái)制備蠶蛹?xì)ぞ厶撬z膜(chm)。接著對(duì)制得的光滑、透明、柔軟的殼聚糖水凝膠膜進(jìn)行力學(xué)性能分析。機(jī)械性能測(cè)試表明，這種新型水凝膠膜具有良好的機(jī)械性能，斷裂伸長(zhǎng)率高達(dá)42.5%。

4 絲素蛋白水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 在軟骨組織工程上的應(yīng)用

絲素蛋白水凝膠是一種通過(guò)共價(jià)鍵和氫鍵等作用力相互交聯(lián)而形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它具有良好的而生物相容性和降解性，因此可以與生物環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能相結(jié)合，從而在生物組織工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]，如軟骨組織工程。

ZeynepKarahaliloglu等人[36]研究了磁絲素凝膠在骨組織工程支架上的應(yīng)用。他們通過(guò)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的蠶絲水凝膠電凝膠工藝制備了新型磁性蠶絲蛋白電凝膠支架，并進(jìn)行了多方面測(cè)試。發(fā)現(xiàn)通過(guò)將堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子與人血清白蛋白- Fe3O4納米顆粒物理結(jié)合而制備出的凝膠支架具有優(yōu)良的性能，尤其體現(xiàn)在吸水性能和誘導(dǎo)骨形成和成骨細(xì)胞分化方面。由此可見該電凝膠支架有著良好的發(fā)展前途。

Jung MinLee等人[37]使用絲素和聚乙烯醇水凝膠來(lái)設(shè)計(jì)耳廓軟骨。利用鹽浸，有機(jī)硅模鑄和凍融法制備了不同比例的SF(絲素蛋白)和PVA(聚乙烯醇)的水凝膠。根據(jù)溶脹比、拉伸強(qiáng)度、孔徑、熱性能、形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)對(duì)每種水凝膠進(jìn)行了表征?；诩?xì)胞活力的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)由質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%PVA和質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%SF組成的混合水凝膠是所制備的水凝膠中最好的水凝膠。在皮下植入軟骨細(xì)胞種植的3D耳狀水凝膠6周后，在大鼠中形成完整的3D耳形軟骨。最后通過(guò)組織學(xué)分析在體外和體內(nèi)觀察到具有典型的腔隙結(jié)構(gòu)的成熟軟骨。

Yongqing Jiang等人[38]進(jìn)行了絲素肽水凝膠用于軟骨細(xì)胞體外三維培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)。他們以設(shè)計(jì)合成的多肽SGGAGGAGGAGGAGGS為模板，制備了軟骨細(xì)胞體外培養(yǎng)的肽水凝膠。觀察肽水凝膠中培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞形態(tài)特征的變化，獲得設(shè)計(jì)時(shí)間點(diǎn)軟骨細(xì)胞接種的肽水凝膠，并進(jìn)行DNA含量、組織學(xué)染色和免疫組織化學(xué)分析。研究結(jié)果表明肽水凝膠可以誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞Ⅱ型膠原和糖胺聚糖的合成。軟骨細(xì)胞-水凝膠復(fù)合物中GAG和Ⅱ型膠原的結(jié)果表明，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞的增殖速度明顯增加。細(xì)胞外基質(zhì)分子的分析也表明肽水凝膠可在21 d的培養(yǎng)期間維持軟骨細(xì)胞的表型。這些發(fā)現(xiàn)表明，這種含有水凝膠的設(shè)計(jì)肽可能被用于潛在的三維支架組織工程軟骨。

4.2 在藥物緩釋載體方面的應(yīng)用

具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的絲素蛋白水凝膠除具有較好的生物相容性和降解性外，還具有無(wú)毒性、無(wú)刺激性和保持藥物功能的特點(diǎn)，有望于作為藥物載體材料在醫(yī)療治療中運(yùn)載大分子、小分子藥物和多肽、酶、抗體等蛋白質(zhì)[39]。利用絲素蛋白水凝膠的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制其組成、結(jié)晶類型、交聯(lián)密度、疏水區(qū)含量等可控制載體的載藥量和釋藥量?，F(xiàn)階段的研究亦表明絲素蛋白水凝膠作為藥物載體的確具有較好的藥物控釋和緩釋功能。

Atefeh Ebrahimi等人[40]進(jìn)行了通過(guò)絲素蛋白的凝膠化獲得利培酮的儲(chǔ)庫(kù)制劑。他們以不同的藥物/聚合物比例制備鹽酸/丙酮基和基于甲醇的水凝膠。對(duì)于所有載藥甲醇型水凝膠，立即發(fā)生SF溶液的凝膠轉(zhuǎn)變，凝膠時(shí)間為1 min，而HCL /丙酮基凝膠的凝膠時(shí)間為360 min左右。之后還進(jìn)行了傅里葉變換紅外光譜和X射線衍射分析，結(jié)果表明溶劑體系和利培酮能夠誘導(dǎo)β-折疊結(jié)構(gòu)，增加利培酮的量可以增加結(jié)晶度，并且藥物與聚合物之比為1∶3具有最高的結(jié)晶度。熱重分析表明，增加制劑中藥物的量可以提高水凝膠的穩(wěn)定性，甲醇水凝膠的比例為1∶3時(shí)結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。利培酮從甲醇水凝膠中以1∶3的比例釋放速率低于鹽酸/丙酮，以1∶3和1∶6的比例釋放時(shí)間可持續(xù)至25 d，這對(duì)于利培酮儲(chǔ)庫(kù)形式是可接受的，從而該實(shí)驗(yàn)中利培酮的緩釋被成功實(shí)現(xiàn)。

Michael A Marin等人[41]進(jìn)行了用于藥物遞送應(yīng)用的絲素蛋白氣凝膠的研究，結(jié)果展示了SF氣凝膠作為候選藥物布洛芬延長(zhǎng)釋放的藥物遞送裝置的潛力。SF氣凝膠在40 ℃和10 MPa下使用超臨界二氧化碳負(fù)載布洛芬。布洛芬負(fù)載的SF氣凝膠的差示掃描量熱法表明布洛芬是無(wú)定形的。掃描電子顯微鏡和氮吸附/解吸分析被用來(lái)調(diào)查形態(tài)和紋理特性。磷酸鹽緩沖溶液(PBS)浸泡研究表明，在37攝氏度和pH值7.4的條件下，SF氣凝膠不膨脹也不顯示任何重量損失。釋放測(cè)量的壽命在本研究中進(jìn)行，當(dāng)布洛芬負(fù)載在直徑1.4 cm，高0.85 cm的SF氣凝膠圓盤中時(shí)，在37 ℃和pH值7.4的PBS中體外釋放布洛芬，發(fā)生6 h。相反，相同數(shù)量的純布洛芬的溶解發(fā)生在15年的廢墟中。

Hongchun Wu等人[42]進(jìn)行了絲綢納米纖維水凝膠遞送抗癌藥物的實(shí)驗(yàn)。注射用水凝膠可以為乳腺癌局部化療提供多柔比星(DOX)，為了改善水凝膠的性能，他們制備了觸變性絲納米纖維水凝膠并用于局部遞送DOX。該絲綢水凝膠顯示觸變能力，允許易于注射，然后就地凝固。水凝膠載有DOX，并在八周內(nèi)釋放藥物。體外和體內(nèi)研究表明載有DOX的絲綢水凝膠具有良好的抗腫瘤反應(yīng)，優(yōu)于靜脈內(nèi)給藥的等效劑量的游離DOX。觸變絲綢水凝膠提供改善的注射性以支持持續(xù)釋放，對(duì)局部化療是有前途的。

4.3 在組織工程支架方面的應(yīng)用

可注射的絲素蛋白水凝膠[43]具有生物相容性好，可在體內(nèi)降解的特點(diǎn)，其機(jī)械性能也符合組織工程支架的要求。而且注射絲素蛋白水凝膠作為支架進(jìn)行組織修復(fù)不易引起炎癥，可以極大地簡(jiǎn)化手術(shù)操作過(guò)程，減小創(chuàng)傷，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。因此，絲素蛋白水凝膠在組織工程支架上有著廣泛地應(yīng)用。

Yingshan Zhou等人[44]制備了馬來(lái)化殼聚糖(MCS)/甲基丙烯酸化絲素蛋白(MSF)微/納米復(fù)合水凝膠，并研究了MCS / MSF微/納米復(fù)合水凝膠的一系列性能，包括流變性，平衡溶脹性，溶膠含量，壓縮模量和形態(tài)。結(jié)果表明，這些行為可以通過(guò)控制MSF內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)MSF含量為0.1%時(shí)，水凝膠的壓縮模量為(0.32±0.07) MPa，在關(guān)節(jié)軟骨的范圍內(nèi)。還研究了微/納米復(fù)合水凝膠與小鼠關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的體外細(xì)胞毒性評(píng)估和細(xì)胞培養(yǎng)。結(jié)果表明，含有TGF-β1的微米/納米復(fù)合水凝膠與小鼠關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞具有生物相容性，可以很好地支持細(xì)胞附著，表明其作為軟骨組織工程支架的應(yīng)用前景。

Ciocci Matteo等人[45]通過(guò)將絲素蛋白(SF)的生物功能與聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDa)的結(jié)構(gòu)通用性相結(jié)合生產(chǎn)了復(fù)合生物合成水凝膠?？晒饩酆系腜EGDa-SF水凝膠(PSFHy)的形成針對(duì)3D細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，需要用蛋白質(zhì)微球(MS)功能化3D-PSFHy以增加材料的孔隙率和細(xì)胞粘附性質(zhì)。在MS包埋PSFHy中培養(yǎng)的心臟間充質(zhì)干細(xì)胞表現(xiàn)出良好的生存力和心肌分化過(guò)程初始階段特征的蛋白質(zhì)。此外，將硫酸軟骨素加入到支架中改善了細(xì)胞活力，還進(jìn)行了支架的細(xì)胞預(yù)處理，結(jié)果表明這些海綿樣支架可用于分析由不同種類的細(xì)胞產(chǎn)生的幾種細(xì)胞外微環(huán)境對(duì)干細(xì)胞命運(yùn)的影響。他們的實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)了使用MS功能化的PSFHy作為具有海綿樣特性的干細(xì)胞—載體系統(tǒng)，潛在的超聲成像造影劑和受控的生物化學(xué)因子遞送的可能性。

Yue Lu等人[46]開發(fā)了一種簡(jiǎn)單方法來(lái)制備具有可調(diào)特征(機(jī)械性能和孔結(jié)構(gòu))的凍干絲/瓊脂糖支架，使用十二烷基硫酸鈉(SDS)來(lái)控制絲綢的膠凝過(guò)程。瓊脂糖在水合和消毒后幫助保持支架的形狀。而且，通過(guò)成形相應(yīng)的凝膠，支架可以容易地實(shí)現(xiàn)為具有特定應(yīng)用的期望的形狀。支架的壓縮模量可在18.6～58.8 kPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，內(nèi)孔徑可從52.3 μm到426.5 μm。體外MC3T3-E1細(xì)胞增殖表明絲/瓊脂糖支架具有良好的生物相容性和機(jī)械性能。由此可知，絲/瓊脂糖支架在組織工程支架中有很大的應(yīng)用潛力。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，絲素蛋白水凝膠因其具有良好的生物相容性和生物活性等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，比如用于軟骨組織工程、藥物緩釋載體、組織工程支架等領(lǐng)域。然而簡(jiǎn)單方法制備的絲素蛋白水凝膠結(jié)構(gòu)形態(tài)單一且機(jī)械性能往往達(dá)不到生物材料實(shí)用性的要求[47]，不能直接用于生物醫(yī)學(xué)材料，各種改性再生絲素蛋白水凝膠的交聯(lián)或添加其它材料又可能會(huì)影響其生物相容性。因此，高性能絲素蛋白水凝膠的獲得與應(yīng)用研究是目前主要研究方向之一。

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