絲素蛋白及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展

李瑩瑩，王 昉，劉其春，張東敏， 張 雪，馬青玉，顧正桂

(1 南京師范大學(xué) 分析測(cè)試中心，南京 210023; 2 南京師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，南京 210023; 3 南京師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210023)

蠶絲是目前世界上產(chǎn)量最大的天然纖維之一，廣泛用于服裝紡織領(lǐng)域。其以質(zhì)地柔軟、透氣性良好、懸垂感優(yōu)良、穿著舒適等特點(diǎn)備受人們的青睞，素有“纖維皇后”之稱(chēng)。絲素蛋白是蠶絲的主要成分，在蠶絲中含量較高，容易分離提純，具有許多獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)良的生物相容性[1-3]。絲素蛋白來(lái)源廣泛，制備方法簡(jiǎn)單，可以再生和加工成薄膜、海綿、水凝膠和微球等形態(tài)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。為了拓展絲素蛋白材料的功能，人們對(duì)其進(jìn)行了探索和研究。其中，有對(duì)蠶絲蛋白中的官能團(tuán)進(jìn)行的改性研究，以及將其與其他材料進(jìn)行復(fù)合，制備出不同用途的絲素蛋白復(fù)合材料[4-7]。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)新型組織工程材料，用人造組織替代損壞的組織，進(jìn)行組織修復(fù)成為研究的熱點(diǎn)[8-10]。同時(shí)，有研究者指出，絲素蛋白材料在吸附和催化方面也具有較好的發(fā)展?jié)摿11-13]。本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，對(duì)絲素蛋白的結(jié)構(gòu)、性能及其復(fù)合材料的制備方法、應(yīng)用前景進(jìn)行了介紹和展望。

1 絲素蛋白材料的研究進(jìn)展

1.1 絲素蛋白的結(jié)構(gòu)

絲素蛋白主要由甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸等18種氨基酸組成，由重鏈約390kDa(千道爾頓)、輕鏈約26kDa及糖蛋白鏈約28kDa三部分組成，其摩爾比為6∶6∶1。絲素蛋白的基本結(jié)構(gòu)由緊密整齊的結(jié)晶區(qū)和松散無(wú)序的非結(jié)晶區(qū)組成，其中結(jié)晶區(qū)主要為甘氨酸、丙氨酸和絲氨酸的殘基，非結(jié)晶區(qū)主要由苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等其他氨基酸殘基組成[14]。

蠶絲素蛋白的分子構(gòu)象可分為2類(lèi)，即Silk Ⅰ型和Silk Ⅱ型：SilkⅠ型分子鏈由α-螺旋和β-平行折疊構(gòu)象交替堆積而成，其晶胞屬于正交晶系；SilkⅡ型是反平行β折疊(β-sheet)的層狀結(jié)構(gòu)。在溫度和溶劑影響下SilkⅠ型易向SilkⅡ型轉(zhuǎn)變[15]。Valluzzi等[16]發(fā)現(xiàn)了存在于蠶絲素溶液-空氣界面上的一種新的蠶絲素結(jié)晶形態(tài)，稱(chēng)之為Silk Ⅲ型，其晶體結(jié)構(gòu)與聚甘氨酸Ⅱ相似，屬六方晶系，肽鏈的立體構(gòu)象為β-折疊螺旋。絲素蛋白的氨基酸排列順序決定了分子結(jié)構(gòu)，從而決定其力學(xué)性能和理化特性。

1.2 絲素蛋白的制備

絲素蛋白從來(lái)源上分為天然絲素和再生絲素。直接從家蠶的后部絲腺得到的是天然的絲素，不含絲膠蛋白，呈白色半透明狀。利用化學(xué)的方法將絲膠和絲素分離，并去除其他物質(zhì)后得到的就是再生絲素。最早的絲素溶解研究始于20世紀(jì)30年代，使用較早的溶劑體系有無(wú)機(jī)酸，這類(lèi)溶劑雖然可以溶解絲素，但對(duì)絲素破壞嚴(yán)重，將部分絲素分子降解為小分子肽鏈，形成的再生絲素蛋白材料幾乎沒(méi)有力學(xué)性能。Furuhata等[17]研究了絲素在鹵化鋰/有機(jī)氨溶劑體系中的溶解條件。于海洋等[18]指出，在氯化鈣溶液中絲素蛋白會(huì)與鈣離子形成配合物，使絲素蛋白體積膨脹，水分子逐漸進(jìn)入膨脹后的空間，膨脹到一定程度后絲素蛋白的化學(xué)鍵斷裂，形成可溶性的絲素蛋白溶液。這類(lèi)高濃度的中性鹽溶液在加熱條件下可以溶解絲素，而且溶解能力和溶解效果都較好。還有用CaCl2-C2H5OH-H2O三元溶液[19]和溴化鋰水溶液[20]來(lái)溶解蠶絲，這兩種溶解方式對(duì)絲素大分子的破壞作用都相對(duì)較小。

1.3 絲素蛋白材料的性能研究

1.3.1 絲素蛋白的力學(xué)性能

天然蠶絲纖維的初始模量為5～12GPa，斷裂強(qiáng)度為500MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為19%；脫膠蠶絲纖維的初始模量為15～17GPa，斷裂強(qiáng)度為610～690MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為4%～16%。與天然絲素纖維相比，再生絲素材料力學(xué)性能有所下降，主要原因是因?yàn)?，在溶解天然絲素纖維的過(guò)程中，高濃度的中性鹽溶液破壞了絲素蛋白分子原有的部分結(jié)構(gòu)。所以，改善再生絲素材料力學(xué)性能已成為絲素蛋白生物材料領(lǐng)域的重要研究課題。如將一些高分子物質(zhì)，如聚乙二醇[21]、聚己內(nèi)酯[22]、聚乙烯醇[23]等，與絲素蛋白進(jìn)行共混，從而達(dá)到改善絲素材料力學(xué)性能的效果。此外，向再生絲素蛋白材料中添加微/納米級(jí)別的物質(zhì)，同樣可以制備得到力學(xué)性能增強(qiáng)的絲素材料。除了制備材料和方法的影響，絲素蛋白分子還受到外界物理(溫度、射線等)或化學(xué)因素(酸、堿、氧化劑等)的影響，會(huì)產(chǎn)生物理、化學(xué)性質(zhì)的變化。溫度、射線等會(huì)使蠶絲變黃、力學(xué)性能下降；酸、堿會(huì)促使蠶絲發(fā)生水解；氧化劑會(huì)氧化氨基酸側(cè)鏈[24]。另外，其復(fù)合材料的力學(xué)性能不僅取決于個(gè)體的特性組件，還取決于界面之間構(gòu)成材料的兼容性[25]。

1.3.2 絲素蛋白的乳化活性

蠶絲的核心是絲素蛋白，它具有交替親水性和疏水性，并沿分子鏈有著高度重復(fù)的氨基酸序列。絲素蛋白同時(shí)具有親水區(qū)和分子折疊成二級(jí)或更高級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)所形成的不同的疏水區(qū)，所以絲素蛋白本身具有兩親性和表面活性，在水介質(zhì)和油相的界面富集并最終形成穩(wěn)定的黏彈性膜，可防止液滴聚結(jié)，有利于形成穩(wěn)定的乳液[26]，因此，絲素蛋白可以作為新型乳液穩(wěn)定劑，應(yīng)用于載藥系統(tǒng)和化妝品領(lǐng)域。對(duì)于乳液穩(wěn)定性的影響因素，除了溫度、pH 值和離子強(qiáng)度外，蛋白質(zhì)濃度、油相體積分?jǐn)?shù)和油相類(lèi)型(極性)也同樣對(duì)乳液的物理和化學(xué)性質(zhì)以及黏彈性能有較大的影響[27]。

1.3.3 絲素蛋白的生物相容性

生物相容性是指材料與人體之間相互作用而產(chǎn)生的各種復(fù)雜的生物、物理和化學(xué)反應(yīng)。植入人體的生物材料必須無(wú)毒、無(wú)致敏性，對(duì)組織、血液和免疫等系統(tǒng)不能產(chǎn)生不良反應(yīng)。絲素蛋白是蠶絹絲腺內(nèi)壁上內(nèi)皮細(xì)胞分泌、合成的天然高純度蛋白質(zhì)，其最終降解產(chǎn)物可被機(jī)體吸收，并且它的分子質(zhì)量大小也可通過(guò)改造絲蛋白的成分來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到適應(yīng)不同生物體內(nèi)環(huán)境的要求，因此具有很好的生物相容性[2]。

1.3.4 絲素蛋白的生物降解性

絲素蛋白纖維的抗拉強(qiáng)度較高，高度的規(guī)整性和大量SilkⅡ結(jié)構(gòu)使其在不加處理的情況下就可以植入生物體，并能完全降解，一般降解時(shí)間為6～12周[3]。Takayuki等[28]研究發(fā)現(xiàn)，絲素蛋白分子中存在蛋白酶特異性結(jié)合位點(diǎn)而容易被水解，但是水解程度取決于蛋白質(zhì)基體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)。朱正華等[29]在再生絲素蛋白纖維制備過(guò)程中，添加不同濃度的氯化鈣，可以控制其在生物體內(nèi)的降解速率，結(jié)果表明，當(dāng)添加的氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 11%時(shí)，再生絲素蛋白纖維中的鈣離子濃度接近天然絲素蛋白中谷氨酸和天冬氨酸的濃度，絲素蛋白纖維的機(jī)械強(qiáng)度下降 90%，而降解速率明顯加快。

2 絲素蛋白復(fù)合材料的研究進(jìn)展

2.1 絲素蛋白復(fù)合材料的制備機(jī)理

絲素是一種包含超過(guò)5000個(gè)氨基酸的高分子蛋白質(zhì)，其側(cè)鏈含有氨基、羥基、羧基等基團(tuán)，如絲氨酸側(cè)鏈的羥基，酪氨酸側(cè)鏈的酚羥基、精氨酸側(cè)鏈的胍基等。絲素與其他材料的復(fù)合一般是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改變其某些側(cè)基，或通過(guò)與側(cè)基的反應(yīng)引入其他功能基團(tuán)，如磺酸基、磷酸基和環(huán)氧基等。常用的改性方法有接枝共聚改性、交聯(lián)改性和互穿網(wǎng)絡(luò)改性。

2.1.1 接枝共聚改性

絲素蛋白的接枝共聚改性就是利用絲素分子中所具有的—OH、—NH2和—COOH等反應(yīng)性基團(tuán)與活潑單體發(fā)生接枝聚合反應(yīng)以達(dá)到改性目的。接枝共聚是一種有效的化學(xué)修飾方法，在不破壞絲蛋白主鏈、保持其原有特性的同時(shí)有效地改善絲素的結(jié)構(gòu)和性能。劉瓊等[4]將活化的聚乙二醇?；锿ㄟ^(guò)化學(xué)反應(yīng)直接接枝到酶解后的絲素蛋白粉末上，研究了接枝化合物的抗菌性以及細(xì)胞毒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抑菌效果，且對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性作用。許云輝等[5]采用HNO3/H3PO4-NaNO2體系選擇性地將氧化棉織物引入活性羧基，然后與絲素蛋白反應(yīng)接枝形成酰胺化學(xué)鍵。研究了HNO3/H3PO4-NaNO2氧化時(shí)間對(duì)氧化棉織物羧基含量、斷裂強(qiáng)力的影響，分析了氧化時(shí)間、絲素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和處理時(shí)間對(duì)氧化棉織物接枝率的影響。結(jié)果表明，絲素改性棉織物的機(jī)械強(qiáng)度和白度稍有降低，而折皺回復(fù)性和吸濕性明顯提高；絲素改性棉織物承載和緩釋的金銀花提取物為原棉織物的3.45倍，金銀花處理的絲素改性棉織物經(jīng)30次水洗后仍有較高的抑菌活性。Dhyani等[6]通過(guò)等離子體處理技術(shù)將聚丙烯酸接枝到絲素膜表面，從而增加了絲素的羧基，調(diào)控了絲素蛋白的親水性。研究顯示，與未改性絲素蛋白相比，細(xì)胞在表面接枝聚丙烯酸絲素上的黏附性增強(qiáng)。

2.1.2 交聯(lián)改性

交聯(lián)劑與絲素之間的相互作用會(huì)引起絲素分子之間的相互作用，從而賦予材料不同的結(jié)構(gòu)特征，使得人們可以在更大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的性能，以滿(mǎn)足組織工程上的應(yīng)用需求。常用的化學(xué)交聯(lián)劑有碳化二亞胺、二縮水甘油醚和京尼平等。楊華等[7]以環(huán)氧氯丙烷和聚乙二醇400為原料，合成聚乙二醇縮水甘油醚(Poly(Ethylene Glycol diglycidyl ether), PEGO)，利用PEGO與絲氨酸的羥基、谷氨酸的羧基、賴(lài)氨酸的氨基以及胱氨酸的巰基的反應(yīng)對(duì)絲素蛋白進(jìn)行交聯(lián)改性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PEGO的添加改變了膜的結(jié)構(gòu)，會(huì)引起其結(jié)晶性、熱穩(wěn)定性、親水程度和力學(xué)性質(zhì)的改變。改性膜具有更好的熱穩(wěn)定性和良好的力學(xué)性能，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和日用化工領(lǐng)域。

2.1.3 互穿網(wǎng)絡(luò)改性

基于共價(jià)連接的磺酸基團(tuán)可增強(qiáng)絲素膜的親水性。馬曉曄等[30]通過(guò)自由基聚合的方法，合成制備了自膨脹聚丙烯酸鈉-SF半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，進(jìn)一步探討了該水凝膠作為微創(chuàng)治療中組織植入物的潛能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著水凝膠中SF含量的增加，膨脹率增大，壓縮強(qiáng)度減小，藥物釋放速度加快。該自膨脹水凝膠具有高膨脹率和良好的藥物釋放能力，可以進(jìn)行藥物輸送或植入其他材料。Romero等[31]提出一種制備互穿SF-聚吡咯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的方法。帶負(fù)電的親水性磺酸基團(tuán)共價(jià)結(jié)合到SF上，可以選擇性促進(jìn)吡咯的吸收，并在改性薄膜內(nèi)聚合，增強(qiáng)了絲素表面的親水性；其中兩種帶電聚合物之間的靜電引力驅(qū)動(dòng)聚吡咯在聚合過(guò)程中完全穿插到絲素內(nèi)部，從而形成堅(jiān)固的不可分層的復(fù)合材料。此方法為生產(chǎn)力學(xué)性能良好、電化學(xué)性能穩(wěn)定的聚合物電極提供了新思路。

2.2 絲素蛋白復(fù)合材料的制備方法

2.2.1 干法紡絲法

蠶在常溫、常壓下能以水為溶劑，在空氣中吐絲形成高強(qiáng)度和高韌性的蠶絲纖維，而且纖維的綜合性能優(yōu)于普通合纖。因此，最早是采用干法紡絲技術(shù)來(lái)進(jìn)行人工模擬生物紡絲。Yue等[32]用氯化鈣/甲酸為溶劑溶解絲素，采用干法紡絲技術(shù)制備再生絲素蛋白纖維。該溶解過(guò)程簡(jiǎn)單、高效，且獲得具有納米原纖結(jié)構(gòu)的紡絲原液。由于紡絲液中納米原纖的保留，制得的再生絲素蛋白纖維的力學(xué)性能有明顯提高，且更易于牽伸；當(dāng)絲素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至25%時(shí)，再生絲素蛋白纖維的斷裂強(qiáng)度可達(dá)230MPa，后牽伸可進(jìn)一步改善纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，纖維的韌性增強(qiáng)。

2.2.2 冷凍干燥法

冷凍干燥法的原理是將聚合物(絲素蛋白或其復(fù)合物)制成溶液或凝膠狀，放入真空冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行冷凍，預(yù)凍溶液發(fā)生汽化進(jìn)而與聚合物分離，溶液中的冰晶升華，在原有位置產(chǎn)生孔洞，最終得到孔隙率較高的聚合物。該方法目前應(yīng)用較多，可以通過(guò)時(shí)間、溫度和濃度來(lái)控制支架材料的孔的尺寸和形狀。Wang等[33]將Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2-H2O與絲素蛋白共混制得的溶液進(jìn)行冷凍干燥。研究證明，二者共混物的生物相容性及在新骨形成方面的能力優(yōu)于單一的絲素蛋白或膠原蛋白。Zhu等[34]將去離子水、十六烷基三甲基溴化銨、硅酸乙酯和氫氧化鈣水溶液混合，經(jīng)過(guò)高壓、升溫、保溫和冷卻至室溫，再煅燒、保溫和冷卻后得到硅酸鈣納米晶須，然后按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶于絲素蛋白溶液中配成共混膜，研究結(jié)果顯示，絲素蛋白/硅酸鈣共混膜具有更高的比表面積和孔體積，骨肉瘤細(xì)胞能很好附著和增殖在此共混膜上，表明該復(fù)合膜具有良好的理化性能和生物學(xué)性能，在骨組織工程三維支架方面有很大的應(yīng)用潛力。

2.2.3 靜電紡絲法

靜電紡絲是一種簡(jiǎn)單、快速而高效的納米/亞微米纖維制備技術(shù)[35]。在紡絲過(guò)程中，帶電的聚合物液滴在電場(chǎng)力的作用下，在注射器或者毛細(xì)管的頂點(diǎn)被加速，當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí)，聚合物液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流，接著轉(zhuǎn)變?yōu)榫砬穆菪w維，在電場(chǎng)力作用下拉伸變細(xì)，分裂成微米級(jí)至納米級(jí)的纖維。整個(gè)電紡過(guò)程中因溶劑揮發(fā)、纖維固化落在接收裝置上形成類(lèi)似非織造布狀纖維氈。靜電紡絲得到的無(wú)紡布具有孔隙率高、比表面積大和均一性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得其能夠在生物材料、過(guò)濾材料和傳感器材料等方面具有很好的應(yīng)用前景。崔新愛(ài)等[36]以六氟異丙醇(Hexafluoroisopropanol, HFIP)為溶劑，將膠原和絲素以一定的質(zhì)量比共混后進(jìn)行電紡，并經(jīng)戊二醛蒸汽交聯(lián)制備出膠原/絲素復(fù)合微/納米纖維。研究顯示，復(fù)合纖維的β化程度、結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性均有一定提高，且隨著絲素含量的增加其提高越明顯。當(dāng)絲素含量為70%時(shí)，纖維膜的平均斷裂強(qiáng)度最高，細(xì)胞在材料表面生長(zhǎng)狀態(tài)良好，體現(xiàn)了其優(yōu)良的生物相容性。Li等[37]將絲素蛋白和聚乳酸-羥基乙酸共聚物(SF/PLA-PLGA)以2∶1的質(zhì)量比溶解于5%的HFIP中，進(jìn)行靜電紡絲。結(jié)果表明，紡絲電壓為20kV、擠出率為2mL/h、接收距離為10cm時(shí)，纖維的平均直徑為593nm；當(dāng)接收距離為15nm時(shí)，纖維的平均直徑為334nm。用這種靜電紡絲制備得到的SF/PLA-PLGA納米纖維膜能夠模擬細(xì)胞外基質(zhì)，并培養(yǎng)細(xì)胞附著，可以對(duì)大白鼠周?chē)窠?jīng)損傷進(jìn)行有效的修復(fù)。和生物體自身組織修復(fù)不同的是：通過(guò)控制這種膜的規(guī)格、降解速率、力學(xué)性能和體系結(jié)構(gòu)可以靈活地控制組織的修復(fù)效果。

2.2.4 氣體發(fā)泡法

氣體發(fā)泡法包括化學(xué)發(fā)泡法和物理發(fā)泡法?；瘜W(xué)發(fā)泡法一般采用碳酸鹽類(lèi)化合物作為發(fā)泡劑，即將絲素蛋白溶液和碳酸鹽類(lèi)化合物混合后加入到模具中，待溶劑部分揮發(fā)，直接浸入熱水中發(fā)泡，使氣體揮發(fā)，最后冷凍干燥得到多孔支架。物理發(fā)泡法是指在材料成型過(guò)程中，通過(guò)材料的揮發(fā)組分或分散在材料中的揮發(fā)組分使材料產(chǎn)生泡孔的方法。Xu等[38]采用碳酸鈉(Na2CO3)氣體發(fā)泡法制備高強(qiáng)度絲素蛋白/羥基磷灰石支架材料，避免了成型后的多次洗滌。此法制得的支架孔隙率較高且均勻，避免了有機(jī)溶劑對(duì)絲素蛋白支架活性的影響，但操作較復(fù)雜。Nazarov 等[39]將凍干的絲素蛋白與HFIP配制成一定濃度的絲素醇溶液，再將其加入到裝有碳酸氨(NH4CO3)顆粒的模具中，把支架放入95℃的熱水中發(fā)泡得到多孔絲素支架。支架孔徑為(155±144)μm，均為開(kāi)孔，孔隙率高達(dá)99%，且孔隙間連通性好，支架表面沒(méi)有留下較厚的表皮層，抗壓應(yīng)力及模量較高，符合骨組織工程要求。

2.2.5 3D打印

近年來(lái)隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，采用3D打印技術(shù)制備生物支架成為可能。3D打印技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型或計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)等數(shù)據(jù)，將這些材料數(shù)據(jù)進(jìn)行精確3D堆積，快速制造出任意復(fù)雜形狀的3D物體的一種新型數(shù)字化成型技術(shù)。3D打印技術(shù)可以對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，可制備出氣孔率可調(diào)、形狀復(fù)雜、孔隙率較高和力學(xué)性能好的材料。孫凱等[40]以絲素、膠原兩種材料為打印基質(zhì)，探討3D打印軟骨組織工程支架的可行性。結(jié)果表明，當(dāng)絲素蛋白與膠原蛋白質(zhì)量比為4∶2時(shí)，支架的理化性能和生物相容性最佳，并且與傳統(tǒng)的冷凍干燥法、化學(xué)交聯(lián)方法相比，3D打印成形技術(shù)在支架材料的制備過(guò)程中，尤其是制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)和內(nèi)部可控微結(jié)構(gòu)材料中具有更大的優(yōu)勢(shì)；且還具有設(shè)計(jì)制造一體化，成型過(guò)程高度柔性化和快速化的特點(diǎn)。

2.3 各種絲素蛋白復(fù)合材料

2.3.1 天然生物蛋白復(fù)合材料

角蛋白(Keratin)系硬蛋白之一，是一類(lèi)具有結(jié)締和保護(hù)功能的纖維狀蛋白質(zhì)。由于角蛋白含有較多的胱氨酸(14%～15%)，故二硫鍵含量特別多，在蛋白質(zhì)肽鏈中起交聯(lián)作用，因此角蛋白化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定，有較高的機(jī)械強(qiáng)度且不易溶解和消化。陳慧[41]通過(guò)羊毛纖維與蠶絲下腳料和廢棄物中提取出來(lái)的羊毛角蛋白(Wool Keratin Silk Fibroin，WKSF)與絲素蛋白復(fù)合，不僅保持了羊毛纖維良好的皮膚親和性與力學(xué)性能，還能對(duì)廢舊羊毛纖維與蠶絲進(jìn)行循環(huán)利用，提高了羊毛纖維與蠶絲的利用率。其制備方法為：將提取好的羊毛角蛋白與絲素蛋白放入9mol/L硫氰酸鋰中，配置成不同絲素蛋白質(zhì)量比的混合溶液，并從每種比例的混合溶液中取出20g倒入直徑為50mm的玻璃皿中，將玻璃皿放置在溫度為105℃的烘箱中干燥至恒重，即可制備成羊毛角蛋白絲素蛋白膜。表1列出了其各項(xiàng)性能。隨著羊毛角蛋白與絲素蛋白質(zhì)量比的增加，即隨著質(zhì)量比從1∶9到9∶1，蛋白膜的吸濕回潮率、溶脹率、斷裂伸長(zhǎng)率皆增加，而斷裂強(qiáng)力降低。馮超等[42]將絲素蛋白和人發(fā)角蛋白進(jìn)行有效的混合，并加入不同比例的氯化鈣溶液，制備出自產(chǎn)氧型人發(fā)角蛋白/絲素蛋白復(fù)合材料。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過(guò)氧化鈣濃度為20%時(shí)，支架材料的釋氧時(shí)間最長(zhǎng)(P<0.05)，且后期釋氧水平較為平穩(wěn)；含有過(guò)氧化鈣的復(fù)合材料在體外能夠更好支持細(xì)胞生長(zhǎng)，體現(xiàn)出了良好的生物相容性。

表1 不同質(zhì)量比的羊毛角蛋白絲素蛋白膜的性能表征[41]Table 1 Characterization on the properties of wool keratin membrane with different mass ratios[41]

殼聚糖和纖維素都是自然界中無(wú)毒、無(wú)污染、可生物降解和生物相容性較好的天然高分子材料。殼聚糖是一種無(wú)毒副作用的帶正電的堿性天然多糖，是甲殼素脫乙酰的產(chǎn)物。殼聚糖不溶于水和堿溶液，可溶于部分無(wú)機(jī)酸和大多數(shù)有機(jī)酸，有抑制細(xì)菌活性、促進(jìn)血液凝固的作用。纖維素是由b-(1→4)-鏈接的D-葡萄糖組成，含有大量羥基，易形成分子內(nèi)和分子間氫鍵，具有一定的力學(xué)強(qiáng)度。但都有成膜性差、再生膜脆性大的缺點(diǎn)。膠原蛋白(Collagen，COL)是細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，具有低抗原性、可被人體吸收、體內(nèi)降解產(chǎn)物無(wú)毒副作用等優(yōu)點(diǎn)，但其力學(xué)性能不佳，特別是在水溶液中降解速率太快，從而限制了它的應(yīng)用。馬育棟等[43]將絲素蛋白-殼聚糖混合溶液與1%醋酸溶液共混制備得到復(fù)合凝膠材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在制備復(fù)合凝膠的過(guò)程中，混合時(shí)體積配比不同，形成凝膠的時(shí)間長(zhǎng)短和均勻程度不同，凝膠化程度也不同，且此復(fù)合凝膠材料具有抑菌止血的功效。柳磊等[44]采用冷凍干燥法制備了絲素蛋白/殼聚糖支架，并通過(guò)二次交聯(lián)(第一次是甲醇/氫氧化鈉，第二次是碳化二亞胺/N-羥基琥珀酰亞胺)構(gòu)建了穩(wěn)定的且孔隙率較好的三維多孔結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，40%絲素蛋白-60%殼聚糖的比例適合成骨細(xì)胞生長(zhǎng)。鄭麗等[45]選用氫氧化鈉-尿素-硫脲體系溶解纖維素，并與絲素蛋白共混制得纖維素/絲素蛋白共混膜。結(jié)果表明，當(dāng)m(纖維素)∶m(絲素蛋白)=4∶1時(shí)，絲素蛋白與纖維素的相容性、力學(xué)性能、吸濕保濕性能、透濕性能最好，纖維素/絲素蛋白共混膜的綜合性能優(yōu)于純纖維素膜。李娟等[46]通過(guò)共混法制備了纖維素/絲素復(fù)合膜，研究結(jié)果表明，復(fù)合膜的最佳配比為纖維素占共混膜的90%，絲素占10%。XRD分析表明，隨著絲素含量的增加，復(fù)合膜的結(jié)晶度有先增大后減小的趨勢(shì)。因?yàn)榛烊肷倭康慕z素可以與纖維素之間形成氫鍵，提高分子間的規(guī)整性；但隨著絲素的不斷加入，過(guò)量的絲素之間又會(huì)形成氫鍵結(jié)合，降低分子間的規(guī)整性。在此條件下形成的復(fù)合膜的力學(xué)性能、水溶液穩(wěn)定性和水蒸氣透過(guò)系數(shù)較單一成分的膜有明顯改善，纖維素與絲素之間因存在著氫鍵等強(qiáng)烈的相互作用而使其具有良好的相容性。白蓮村等[47]將絲素纖維/膠原蛋白纖維以不同質(zhì)量配比進(jìn)行混紡，然后通過(guò)針刺非織造工藝制備軟半月板組織工程支架材料，研究表明，絲素纖維含量越多越難成網(wǎng)，且纖維的損失率越高。因此，將絲素纖維與表面較粗糙、卷曲度高的膠原纖維在高濕度狀態(tài)下進(jìn)行混紡，則可較好成網(wǎng)。隨著膠原纖維含量的增加，支架材料的孔徑范圍有所擴(kuò)大，支架材料的孔徑大于100μm 時(shí)，其細(xì)胞增殖情況良好，有利于支架材料降解，且其生物相容性滿(mǎn)足細(xì)胞的生長(zhǎng)要求。

2.3.2 絲素蛋白/無(wú)機(jī)復(fù)合材料

納米SiO2獨(dú)特的體積效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，使其能與材料的大分子結(jié)合成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[48]。徐水等[49]以納米SiO2為基材，乙醇為溶劑，與絲素共混，制備出不同質(zhì)量比的絲素/納米SiO2凝膠共混膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，加入具有補(bǔ)強(qiáng)增韌功能的納米SiO2制備的絲素共混膜，更接近于優(yōu)良人工皮膚材料的物理特性，絲素與納米SiO2的共混質(zhì)量比以80∶3和80∶5為宜。納米銀具有抗菌能力強(qiáng)、效果持久等優(yōu)點(diǎn)。Min等[50]用一定量氨水和0.05mol/L的硝酸銀溶液配制銀氨溶液，再將0.8%的絲素溶液、0.2%的葡萄糖溶液與銀氨溶液混合，調(diào)節(jié)混合溶液pH值為10，80℃水浴攪拌4h可制得絲素納米銀水溶液。用絲素納米銀溶液對(duì)棉織物進(jìn)行浸漬整理，質(zhì)量浴比為1∶50，在60℃水浴中振蕩30min后取出，水洗后自然晾干，得到絲素納米銀棉織物。得到的納米銀棉織物不僅保持了原有棉織物的柔韌性以及舒適感，而且在抗菌、殺菌方面也有著優(yōu)異的性能。

人體骨組織是由有機(jī)和無(wú)機(jī)成分構(gòu)成的生物礦化組織，無(wú)機(jī)成分主要是納米羥基磷灰石結(jié)晶，Ⅰ型膠原是天然骨組織中含量最多的有機(jī)基質(zhì)。羥基磷灰石的優(yōu)點(diǎn)主要包括良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性，以及材料中有孔隙度，有利于骨組織長(zhǎng)入，可以為新骨的沉積與再生提供優(yōu)良的生理支架[51]。絲素蛋白或羥基磷灰石單獨(dú)作為骨組織工程種植材料時(shí)，暴露出如強(qiáng)度較低、韌性較差和力學(xué)性能不足等缺點(diǎn)，顯著降低了其作為生物支架的潛能。將兩者復(fù)合后可以利用組合材料的優(yōu)點(diǎn)來(lái)克服單個(gè)材料的缺點(diǎn)[52]。寧旭等[53]以絲素蛋白和鈣磷溶液為基材，通過(guò)共沉淀法合成了絲素納米纖維/納米羥基磷灰石復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行透射電鏡和X射線衍射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料具有類(lèi)似于天然骨的結(jié)構(gòu)和性能，與天然骨組織中磷灰石十分類(lèi)似，但是力學(xué)性能還未達(dá)到組織工程應(yīng)用中支架強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。圖1為絲素蛋白和羥基磷灰石復(fù)合工藝流程。如圖1所示，Mi等[54]將0.2mol/L氯化鈣水溶液與絲素蛋白納米纖維混合30min，然后加入0.2mol/L的磷酸氫二鈉水溶液攪拌，30min后在37℃下獲得不同質(zhì)量比(0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.40)的絲素蛋白納米纖維和納米羥基磷灰石混合溶液，懸浮培養(yǎng)24h后，通過(guò)過(guò)濾膜的溶液，室溫干燥12h后得到復(fù)合薄膜(孔徑為0.2μm)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該法下制備的復(fù)合薄膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)施加5000%剪切應(yīng)變時(shí)，儲(chǔ)能模量能夠在50s內(nèi)恢復(fù)到85%。另外，介孔生物玻璃具有更高、有序的介觀尺度，在機(jī)體內(nèi)能激活成骨細(xì)胞基因的應(yīng)用中，更加有利于提高細(xì)胞的增殖和分化，具有良好的骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)作用。李靜靜等[55]采用冷凍干燥法制備了介孔生物玻璃(M58S)/絲素蛋白復(fù)合多孔海綿，其中M是介孔生物玻璃(mesoporous bioactive glasses )的英文首字母代稱(chēng)，S指二氧化硅(SiO2)，58是二氧化硅在物質(zhì)中的含量。他們通過(guò)透射電鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合多孔海綿主要通過(guò)作用于血液的內(nèi)源性凝血系統(tǒng)途徑促進(jìn)凝血；小鼠肝臟止血模型顯示，當(dāng)M58S含量>15%時(shí)，復(fù)合多孔海綿的止血效果較好，且優(yōu)于明膠海綿，可以用作體外快速止血材料。

圖1 絲素蛋白和羥基磷灰石復(fù)合[54]Fig.1 Composite process of silk fibroin and hydroxyapatite[54]

2.3.3 絲素蛋白/合成聚合物復(fù)合材料

絲素的濕膜強(qiáng)度小、致密無(wú)孔以及支撐性較差等缺點(diǎn)限制了絲素膜的應(yīng)用范圍，而將其與聚合物共混制備多孔膜，是改善絲素不足的有效途徑。張靜等[56]以飽和硫氰酸鈉(NaSCN)水溶液為共溶劑，制備了不同共混比的絲素蛋白/聚丙烯腈(SF/PAN)共混膜，用溶度參數(shù)法及紅外光譜研究了SF/PAN共混體系的相容性，分析和討論了鑄膜液的共混比、溫度和凝固浴組成等對(duì)膜結(jié)構(gòu)與性能的影響，并用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察了共混膜的表面和斷面微觀形貌。結(jié)果顯示，SF與PAN具有部分相容性，其在成膜過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生界面微孔；隨著共混膜中SF含量的增加，共混膜呈孔隙率增大和截留率減小的變化趨勢(shì)；隨著鑄膜液溫度的升高，共混膜呈孔隙率和水通量增大的變化趨勢(shì)；當(dāng)凝固浴組分為50%乙醇水溶液時(shí)，所得共混膜孔結(jié)構(gòu)較為疏松；SF的添加使PAN膜的水接觸角明顯減小，表明SF可有效改善PAN膜的親水性。錢(qián)巧芬等[57]將一定比例的聚乙二醇混入絲素膜中，可使膜在保持原有良好生物性質(zhì)的前提下，柔韌性有所改善，且透光性較好，但因其聚合物相對(duì)分子量較大，故與絲素的可混性稍差。Suzuki等[58]將絲素溶液與分子量為300的聚乙二醇混合，并通過(guò)京尼平制備得到復(fù)合絲素蛋白膜。在與非處理膜的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜的力學(xué)性能有著明顯提升，并在人類(lèi)角膜緣上皮細(xì)胞的原代培養(yǎng)中體現(xiàn)了良好的生物相容性。王利君等[59]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)，制備出不同質(zhì)量比的聚乳酸-聚己內(nèi)酯/絲素蛋白復(fù)合納米纖維膜支架。研究結(jié)果顯示，復(fù)合納米纖維膜中絲素蛋白經(jīng)甲醇處理后由無(wú)定形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊結(jié)構(gòu)，隨著復(fù)合納米纖維膜中絲素含量的增加，納米纖維膜的孔隙率和吸附性降低，親水性和生物相容性增加，有利于細(xì)胞的黏附和增殖。聚乳酸-乙醇酸共聚物具有良好的生物降解性和力學(xué)性能，且降解速率可調(diào)節(jié)，但在生物相容性方面較之于天然高分子材料還有一定的差距，主要有親水性差、細(xì)胞吸附能力較弱、缺少細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)等缺點(diǎn)。肖紅偉等[60]以六氟異丙醇為共溶劑，通過(guò)靜電紡絲法制備了聚乳酸-乙醇酸共聚物/絲素蛋白共混納米纖維多孔膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，共混多孔膜中纖維直徑隨SF的加入逐漸降低，均勻性變好；共聚物與SF只發(fā)生分子間的互容并且存在氫鍵作用，但當(dāng)SF含量超過(guò)40%時(shí)，共混多孔膜的力學(xué)性能下降；另外發(fā)現(xiàn)，SF的加入能夠顯著改變共混多孔膜的親水性和生物相容性。

2.3.4 絲素蛋白/碳納米管與氧化石墨烯復(fù)合材料

碳納米管(CNT)是一種一個(gè)原子厚的石墨層圓柱體,它是典型的力學(xué)性能增強(qiáng)劑[61]。潘彩霞[62]以絲素蛋白為材料，通過(guò)與多壁碳納米管及碳化二亞胺(EDC)共混，研制出絲素蛋白復(fù)合膜材料。結(jié)果顯示，相比純絲素膜，添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%碳納米管的復(fù)合絲素膜的彈性模量和最大應(yīng)力分別提高了24%和39%；而且，隨著碳納米管含量的增加，絲素蛋白的β-折疊質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量從17.8%提高到53.6%；當(dāng)碳納米管含量為1%時(shí)，混合溶液的黏度提高了10倍；此外，通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，絲素蛋白/碳納米管復(fù)合膜無(wú)毒，具有良好的生物相容性，可以作為生物材料。Pan等[63]將多壁碳納米管懸浮液加入絲素溶液中，使用高壓靜電紡絲技術(shù)制備多壁碳納米管/絲素復(fù)合納米纖維支架。發(fā)現(xiàn)與純絲素靜電紡納米纖維支架相比，添加1.0%多壁碳納米管的復(fù)合膜的斷裂強(qiáng)度提高2.8倍，彈性模量提高4.4倍，斷裂功提高2.1倍；多壁碳納米管在絲素蛋白基體中，不僅能防止基體的裂紋擴(kuò)展，而且因誘導(dǎo)絲素蛋白向β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，可有效提高絲素纖維網(wǎng)支架的力學(xué)性能。氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是具有獨(dú)特二維平面結(jié)構(gòu)的六邊形環(huán)狀碳網(wǎng)絡(luò)。GO含有大量含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)主要是分布在平面上的羥基和環(huán)氧基，少量分布在平面邊緣上的羧基、羰基、酚、內(nèi)酯和醌等。這種結(jié)構(gòu)使其具有良好的親水性和分散性；同時(shí)，氧化石墨烯也具有良好的生物相容性、超強(qiáng)的吸附能力以及優(yōu)異的力學(xué)性能，由于其化學(xué)反應(yīng)能力強(qiáng)，常被作為增強(qiáng)填料添加到聚合物基體中[64]。方潔羽等[65]采用澆鑄法制備出絲素-甘油復(fù)合膜，并在其中加入了氧化石墨烯來(lái)改善復(fù)合膜的綜合性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入氧化石墨烯后，絲素由晶型Silk Ⅰ向Silk Ⅱ結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，復(fù)合膜拉伸強(qiáng)度提高了35%，氧化石墨烯在絲素結(jié)晶過(guò)程中起到了成核劑的作用，并且增強(qiáng)了復(fù)合膜的穩(wěn)定性。Zhang 等[66]將氧化石墨烯添加到再生絲素蛋白水溶液中進(jìn)行共混紡絲，他們認(rèn)為氧化石墨烯的加入可以增強(qiáng)其力學(xué)性能；并且隨著晶體比例的逐漸增加，復(fù)合材料的應(yīng)變率從5%增加到18%，表明其復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也與兩者的結(jié)晶狀態(tài)有關(guān)。

2.4 絲素蛋白及其復(fù)合材料的應(yīng)用

2.4.1 藥物緩釋載體

藥物控釋是指控制藥物定量、勻速地在體內(nèi)釋放，使血藥濃度保持恒定。許多藥物由于其本身的限制，如小分子藥物在體內(nèi)容易突釋?zhuān)蠓肿铀幬锇胨テ诙?，組織滲透性慢以及藥物潛在的毒性等，都會(huì)影響藥物的治療效果[67]。將藥物固定在特定部位并以恒定的速率釋放，不僅可以在局部提高藥物的濃度，降低毒副作用，還可以減輕病人的痛苦。絲素蛋白具有較強(qiáng)的可塑性，易于加工成各種形態(tài)，是一種優(yōu)良的載體材料，通過(guò)改變絲素蛋白的β-折疊的含量能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)藥物的控釋。以絲素蛋白作為緩釋載體材料，目前主要有水凝膠、薄膜衣、微粒子、納米粒子、通道、支架以及藥片等幾種物理形式，可根據(jù)藥物分子量大小及釋放快慢要求，制成不同規(guī)格的藥物載體。馬曉曄等[30]通過(guò)自由基聚合的方法合成了自膨脹聚丙烯酸鈉-絲素半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，并研究了抗生素藥物阿莫西林在其中的包載與釋放性能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著水凝膠中絲素蛋白含量的增加，其膨脹率增大，壓縮強(qiáng)度減小，藥物釋放速率加快；且能在120h內(nèi)釋放(83.4±0.9)%的藥物，體現(xiàn)了其具有微創(chuàng)治療和局部藥物釋放的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于在藥物輸送或其他植入材料領(lǐng)域。Yang等[68]用聚乙二醇誘導(dǎo)絲素蛋白形成納米顆粒，并將姜黃素包埋其中，研究了其抗細(xì)胞衰老的作用。研究發(fā)現(xiàn)，包埋在絲素蛋白納米顆粒中的姜黃素延緩大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞衰老的效果明顯優(yōu)于游離的姜黃素。

2.4.2 抗血凝性材料

人體創(chuàng)傷出血是常見(jiàn)現(xiàn)象，因此止血就顯得尤為重要。創(chuàng)傷急救主要是為了暫時(shí)控制出血，將傷口與外界隔離避免感染，為了能達(dá)到較好的止血效果和形成良好的創(chuàng)面，醫(yī)用止血材料的研究備受關(guān)注。絲素蛋白具有極小的炎癥反應(yīng)性，同時(shí)有一定的生物降解性，因此絲素蛋白及其復(fù)合材料是一種性能良好的抗凝血材料。張桂媛[69]研究了一種加載Ca2+的再生絲素蛋白多孔止血材料，將蠶絲蛋白與交聯(lián)劑聚乙二醇雙環(huán)氧丙烷醚(PEG-DE)按一定比例混合，通過(guò)冷凍干燥的方法制備絲素多孔材料。聚乙二醇雙環(huán)氧丙烷醚的加入改善了蠶絲蛋白材料的柔軟性，而多孔結(jié)構(gòu)也改善了材料的可壓縮性和吸水性，并為血小板的黏附聚集提供空間。吸水性的提高，能快速吸收血液中的水分，增加血液的黏度，使血流減慢而凝固；血小板黏附空間的增加，有利于材料在短時(shí)間內(nèi)聚集大量血小板，激活凝血因子，快速止血。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載 Ca2+后的絲素蛋白多孔材料止血性能顯著提高，以 100∶10 和 100∶15 加載 Ca2+的絲素蛋白多孔材料，綜合止血效果較好。

2.4.3 組織工程材料

組織工程是將人體各種缺損組織或器官的細(xì)胞在體外培養(yǎng)擴(kuò)增后，采用物理、化學(xué)和生物的方法制成細(xì)胞-支架復(fù)合體植入缺損部位，從而實(shí)現(xiàn)缺損組織的治療目的[8]。組織工程的核心是建立由細(xì)胞和生物支架材料構(gòu)成的三維空間復(fù)合體，材料在其中起關(guān)鍵作用[9]。作為組織工程研究的人工細(xì)胞外基質(zhì)，支架材料為細(xì)胞的生長(zhǎng)、繁殖、新陳代謝以及形成新組織提供支持。由于支架材料是細(xì)胞生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，所以良好的支架材料必須滿(mǎn)足無(wú)毒、一定的機(jī)械強(qiáng)度、良好的生物相容性、生物降解性以及可塑性等要求[10]。目前研究較多的有可降解高分子材料、陶瓷類(lèi)材料、復(fù)合材料和生物衍生材料等[70]。郭志豪等[71]通過(guò)溶液共混法制備了絲素蛋白/介孔生物玻璃陶瓷復(fù)合材料，并對(duì)30只SD(Sprague Dawley)大鼠(遠(yuǎn)交群大鼠)建立5mm顱骨缺損模型進(jìn)行修復(fù)實(shí)驗(yàn)。研究表明，骨缺損處填充支架材料后，能使來(lái)自周?chē)M織的結(jié)締組織發(fā)生遷移，形成具有骨細(xì)胞潛能的細(xì)胞塊，容易包膜骨填充材料，從而能延緩骨愈合時(shí)間，影響骨修復(fù)的質(zhì)量；復(fù)合材料與宿主之間具備良好的生物相容性，能促進(jìn)缺損部位早期恢復(fù)。李明等[72]通過(guò)引入石墨烯，并采用鹽析法制備了石墨烯/絲素蛋白骨組織工程三維多孔支架材料，用于提高骨組織修復(fù)與重建。他們發(fā)現(xiàn)，絲素蛋白內(nèi)加入石墨烯作為力學(xué)增強(qiáng)材料，不僅提高了支架材料的力學(xué)性能，而且增加了支架材料的電傳導(dǎo)性與成骨活性。胡沐黎[73]制備了與骨軟骨組織相仿的絲素蛋白/羥基磷灰石一體化三層支架，這種支架孔徑在300～500μm，且具有良好連通性，結(jié)構(gòu)致密并呈一定取向排列，具有較好的拉伸強(qiáng)度，能夠有效防止骨相與軟骨相的剝離；通過(guò)支架的骨髓間充斥干細(xì)胞(Bone Marrow filled with Stem Cells, BMSCs)貼附實(shí)驗(yàn)以及兔股骨髁處缺損的修復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此復(fù)合材料具有良好的生物相容性和軟骨修復(fù)能力。

2.4.4 固定化酶載體材料

酶的固定化在化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及生物感應(yīng)器等領(lǐng)域應(yīng)用較廣。固定化酶的效果在很大程度上取決于載體結(jié)構(gòu)。絲素有大量的親水和疏水基團(tuán)，不需要任何的交聯(lián)劑就能完成基本的固定，因此固定過(guò)程中很少引入其他的化學(xué)試劑，從而減小酶失活的可能性，提高了酶的固定效率；并且絲素蛋白變性的程度可控、無(wú)毒、安全性高、經(jīng)過(guò)一定的處理可以制成多種形狀，這些優(yōu)點(diǎn)使得絲素成為固定化酶的優(yōu)質(zhì)材料[74]。Xu等[75]將絲素和聚酰胺-胺共價(jià)結(jié)合到磁性Fe3O4納米顆粒上，制備成磁性絲素納米顆粒，并用戊二醛將過(guò)氧化物酶交聯(lián)到磁性絲素納米顆粒上制備成結(jié)合酶，向反應(yīng)溶液中插入電極，在溶液中直接產(chǎn)生過(guò)氧化氫，同時(shí)通入氧氣。該方法不僅將絲素制備成納米顆粒，增加了酶載量和反應(yīng)的比表面積，且加入的Fe3O4方便反應(yīng)結(jié)束后固定化酶的回收，同時(shí)該裝置還可自釋氧。該材料為用電極和酶結(jié)合的方法除去廢水中的有機(jī)磷和芳香類(lèi)化合物提供了理論依據(jù)。Delezuk等[76]制備并研究了殼聚糖/絲素蛋白復(fù)合組織材料，通過(guò)圓二色譜分析顯示，改性絲素溶液在197nm處值最小，這說(shuō)明殼聚糖的加入引發(fā)了絲素蛋白薄層的構(gòu)象變化，并出現(xiàn)了無(wú)規(guī)則卷曲。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料對(duì)植酸檢測(cè)的敏感度明顯增強(qiáng)，因此作為新型生物傳感器具有良好的發(fā)展前景。

2.4.5 吸附材料

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、工業(yè)化生產(chǎn)的普及等，在自然界和人類(lèi)生活環(huán)境中，存在較多的有害金屬離子，危及人類(lèi)和動(dòng)植物的健康。研究表明，不同形態(tài)的絲素蛋白對(duì)重金屬離子存在不同能力的吸附作用，且其吸附比率隨著絲素蛋白濃度的增加而增大，對(duì)單一金屬離子和混合離子具有同樣效果[77]。孫越宜等[11]測(cè)定和分析了不同狀態(tài)下的絲素蛋白，包括溶液狀、凝膠狀和粉末狀絲素蛋白對(duì)金屬離子鋅的吸附作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，絲素蛋白吸附鋅離子時(shí)，氫元素與氧元素參與了其反應(yīng)，而氮元素也可能參與了反應(yīng)。絲素蛋白肽鏈上的—OH、—CO—NH—以及—NH2與Zn2+通過(guò)配位鍵形成了配合物，且絲素蛋白β-折疊增加而無(wú)規(guī)卷曲減少，絲素蛋白與Zn2+形成的配合物具有更穩(wěn)定配位結(jié)構(gòu)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)pH值對(duì)該配位反應(yīng)過(guò)程也存在一定的影響。張凱等[12]采用流延法將絲素蛋白涂覆在聚苯乙烯板上，室溫下成膜，并通過(guò)添加硅烷偶聯(lián)劑制備了水不溶性絲素雜化膜(水溶性低于3%)。他們指出，偶聯(lián)劑的加入促使絲素蛋白的構(gòu)象由無(wú)規(guī)卷曲α-螺旋型向β-折疊型轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的結(jié)晶形態(tài)由SilkⅠ型向SilkⅡ型轉(zhuǎn)變，并使得材料對(duì)鎘離子和鉛離子存在較強(qiáng)的選擇性吸附能力。

2.4.6 織物改性添加劑

絲素蛋白自身易形成分子水平的空腔，其結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)決定了它具有改善織物的表面摩擦性、功能性、保健整理等性能，又被稱(chēng)為是天然的“綠色整理劑”。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究采用乙二醛、戊二醛、多元羧酸、環(huán)氧樹(shù)脂、聚乙烯醇等交聯(lián)劑將絲素蛋白接枝固定在纖維或織物表面，使其具有絲素蛋白的表觀特點(diǎn)，并將絲素蛋白的優(yōu)異功能轉(zhuǎn)移到服用纖維中。李繼豐等[78]對(duì)棉織物進(jìn)行羧基化改性，再將絲素蛋白接枝處理，棉織物的抗皺能力、耐磨性能和吸濕性能顯著提高，但拉伸強(qiáng)度和白度略有降低，改性后的絲素蛋白棉織物具有良好的耐熱水洗性，具有棉織物親膚、抗皺、高吸濕性和抗靜電性等優(yōu)點(diǎn)。李陳梅等[79]以絲素為保護(hù)劑，葡萄糖為還原劑，制備絲素納米銀水溶液，并對(duì)棉織物進(jìn)行處理。處理后的織物對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為98.36%和98.50%，經(jīng)50次洗滌后其抑菌率仍能保持在92%以上；同時(shí)，整理后棉織物表面摩擦因數(shù)和表面粗糙度均有所降低，光滑度增加。

2.4.7 催化劑

目前，有學(xué)者開(kāi)始將絲素材料應(yīng)用在催化領(lǐng)域。例如，將絲素與無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合改性后得到光催化材料，用于消除污染，這是一種環(huán)境友好的新型材料。趙林等[80]通過(guò)溶膠-凝膠法制備了絲素蛋白/TiO2復(fù)合納米材料，研究了其在可見(jiàn)光下的催化活性。研究發(fā)現(xiàn)，在可見(jiàn)光照射下，復(fù)合材料的Cr(VI)光催化還原效率達(dá)36%，甲酸降解效率達(dá)3.4%，相對(duì)于純TiO2，復(fù)合材料的可見(jiàn)光吸收能力有所提高。Luo等[13]利用絲素蛋白和Fe2+/Fe3+之間的螯合作用，通過(guò)共沉淀法制備了Fe3O4負(fù)載的絲素凝膠材料，該水凝膠具有較高的飽和磁化強(qiáng)度，并提高了過(guò)氧化物的酶活性和催化時(shí)間，結(jié)合絲素蛋白的生物相容性，絲素/Fe3O4水凝膠可應(yīng)用在環(huán)境化學(xué)與生物技術(shù)方面。

2.4.8 食品與美容產(chǎn)品助劑

食物腐敗不僅影響著食品質(zhì)量和安全，還導(dǎo)致了資源的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。迄今為止，人們研究出了許多方法延長(zhǎng)水果食物的保質(zhì)期，如冷凍、化學(xué)殺菌劑、防腐包裝、低壓以及熱處理等。隨著科技的不斷發(fā)展，可食用防腐涂層的出現(xiàn)為食物防腐提供了新的解決方案。絲素蛋白具有良好的生物相容性并且無(wú)味，是一種良好的食品防腐涂層添加劑。Marelli等[81]將1%的絲素蛋白懸浮液涂抹于草莓上，考察了其對(duì)草莓保鮮性能的改善效果，并對(duì)該懸浮液進(jìn)行了金屬離子以及元素檢測(cè)來(lái)評(píng)估溶液的安全性。他們發(fā)現(xiàn)，絲素蛋白涂層能有效減緩草莓表面呼吸氧化速率，從而延長(zhǎng)其保質(zhì)期；并且，毒性水平遠(yuǎn)低于日常飲用水標(biāo)準(zhǔn)，為可食用防腐涂層的發(fā)展提供了有利的科學(xué)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。屠潔等[82]為改善攪拌型酸奶的品質(zhì)，采用二因素三水平析因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)，將4種常用穩(wěn)定劑，包括果膠、黃原膠、海藻酸鈉和耐酸性羧甲基纖維素鈉(CMC)分別與絲素蛋白混合，加入酸奶中，考察它們對(duì)攪拌型酸奶的黏度和保水性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，穩(wěn)定劑和絲素蛋白的加入對(duì)酸奶的黏度和保水性均有極顯著的交互作用，其中海藻酸鈉與絲素蛋白的組合不僅提升了酸奶的口感，還提升了酸奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可作為新型的酸奶添加劑。

絲素蛋白同樣是提升美容產(chǎn)品的保水性和彈性的優(yōu)質(zhì)材料，可以用于角膜修復(fù)和皮膚護(hù)理等方面。趙應(yīng)征等[83]提供了一種肌膚護(hù)理用絲素蛋白水凝膠的制備方法。通過(guò)改變絲素蛋白、透明質(zhì)酸和蝸牛黏蛋白等組分的配比來(lái)調(diào)節(jié)材料的力學(xué)強(qiáng)度和降解速率。研究指出，該絲素蛋白水凝膠具有良好的保水性，能促進(jìn)皮膚表面的新陳代謝，達(dá)到抗皺、養(yǎng)容的作用，可以作為面膜和護(hù)膚霜等護(hù)膚產(chǎn)品中的基質(zhì)。曹麗楠等[84]在絲素蛋白和膠原蛋白的復(fù)合膜上接種L-929細(xì)胞，細(xì)胞正常生長(zhǎng)，后期在新西蘭大白兔皮膚缺損處分別敷貼醫(yī)用絲素蛋白皮膚再生膜，定期觀察紅斑和水腫情況，同時(shí)建立急性全身毒性實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)細(xì)胞毒性和細(xì)胞纖維連接蛋白mRNA表達(dá)等。研究發(fā)現(xiàn)，絲素蛋白復(fù)合膜未對(duì)皮膚造成刺激，具有保護(hù)創(chuàng)面和誘導(dǎo)皮膚再生的作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)材料相比，由于絲素蛋白獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使得改性后的絲素復(fù)合材料在力學(xué)、生物和化學(xué)等方面的性能顯著提高，從而在生物工程、醫(yī)藥、食品、美容以及催化等領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景，是一種極具研究?jī)r(jià)值的新型功能材料。但是，目前絲素蛋白在實(shí)際應(yīng)用方面還存在一些不足，例如，在骨修復(fù)中其機(jī)械強(qiáng)度仍不足以適應(yīng)高強(qiáng)度的物理負(fù)荷，絲素與一些人工高分子材料復(fù)合的機(jī)理尚需進(jìn)一步驗(yàn)證等。目前國(guó)內(nèi)對(duì)絲素蛋白的應(yīng)用研究較多，主要是集中在醫(yī)藥生物功能材料方面，但是對(duì)其基因序列、改性機(jī)理方面的研究基本上都是來(lái)源于國(guó)外，所以通過(guò)對(duì)絲素蛋白結(jié)構(gòu)更深的了解，可以從基因?qū)用鎸?duì)絲素蛋白進(jìn)行重組改性，從而得到具有前瞻性的材料合成路線。

結(jié)合目前絲素蛋白的研究現(xiàn)狀，其發(fā)展趨勢(shì)為以下4方面：(1)智能材料可以自適應(yīng)不同的生物體系以延長(zhǎng)其使用壽命，所以智能絲素蛋白材料應(yīng)具有很大的應(yīng)用潛力；(2)絲素蛋白材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用目前還處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，如何將其運(yùn)用到人類(lèi)的康復(fù)治療中還需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究；另外，值得思考的是如何載入生物信號(hào)分子，使其直達(dá)損傷部位，從而提高絲素支架的治療效果；(3)絲素蛋白復(fù)合材料的熱力學(xué)機(jī)理以及在環(huán)境和催化等方面的研究；(4)規(guī)?；⒏咝屎涂芍貜?fù)使用等這些產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)問(wèn)題。