化學(xué)助劑優(yōu)化靜電紡角蛋白納米纖維性能進展

丁姣，賴銳豪，陳文杰，黃素青，尹國強

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣東廣州510225）

我國每年尚有數(shù)以百萬噸的動物毛發(fā)資源沒有得到充分利用，這些廢棄物不僅是豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸資源，同時是優(yōu)良的功能性生物高分子材料[1-2]。動物毛發(fā)中含有大量的角蛋白，其提取方法簡單、價格低廉，且具有優(yōu)良的成膜性和生物降解性[3-5]。以羽毛角蛋白為主要原料，制備可降解的功能性薄膜，充分利用廢棄資源，減少環(huán)境污染、優(yōu)化人類生存環(huán)境以及保證生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的同時，創(chuàng)造經(jīng)濟價值。由于角蛋白的生物相容性良好、可降解性強[6-7]，以其制備的功能性薄膜廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料[8-9]。良好的醫(yī)用材料必須具有較大的比表面積、較高的孔隙率以及孔形態(tài)，為細胞增殖、組織生長、氧氣及營養(yǎng)物質(zhì)的運輸以及代謝產(chǎn)物的排出提供良好環(huán)境[10]。結(jié)合靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維膜基本滿足醫(yī)用材料結(jié)構(gòu)上的要求，但以純角蛋白為原料制備的納米纖維膜脆性大、力學(xué)性能差[11]，通常需要添加一定量的化學(xué)助劑，以改善角蛋白膜的綜合性能，使其更符合生物醫(yī)用材料的要求。從角蛋白納米纖維膜的發(fā)展研究來說，化學(xué)助劑對推進角蛋白納米纖維膜的應(yīng)用發(fā)展有著密不可分的關(guān)系，從初步改善可紡性，到增強材料綜合性能，再到增幅材料優(yōu)勢，均與化學(xué)助劑息息相關(guān)。由此，本文主要介紹了在靜電紡絲角蛋白納米纖維膜的紡制過程中使用的化學(xué)助劑種類，并簡單分析它們與角蛋白的作用機理以及添加后對角蛋白納米纖維膜結(jié)構(gòu)和性能的改變。

1 靜電紡絲制備角蛋白納米纖維

靜電紡絲機主要是由高壓電源、噴射裝置和收集裝置組成。紡絲過程中，紡絲溶液在高壓電場中形成帶點射流，并在電場力的作用下高速拉伸，溶劑不斷揮發(fā)，最后在收集裝置上沉積固化，形成納米級纖維[12]。以純角蛋白溶液為原料制備的靜電紡絲納米纖維膜脆性大、力學(xué)性能差，極大地限制了角蛋白納米纖維的應(yīng)用。因此，在實際紡絲中往往需要添加化學(xué)助劑配成混合紡絲液，以提高角蛋白納米纖維膜的綜合性能。其中，助紡劑、交聯(lián)劑可改善角蛋白溶液的可紡性以及復(fù)合膜的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能；抗菌劑則可賦予角蛋白膜抗菌抑菌能力。采用天然角蛋白與化學(xué)助劑混合配液進行紡絲，一方面克服了純角蛋白因缺少足夠的纏繞和相互作用而無法直接靜電紡絲的難題，另一方面則使角蛋白基納米纖維膜的綜合性能得到大幅的改善。

2 化學(xué)助劑

化學(xué)助劑的加入，成為了采用靜電紡絲技術(shù)制備角蛋白基納米纖維膜并得以應(yīng)用的關(guān)鍵因素。其中，有改善可紡性的助紡劑，有提升綜合性能的交聯(lián)劑，也有增益抑菌性能的抗菌劑。而化學(xué)助劑本身的多樣性，也使其在優(yōu)化角蛋白納米纖維研究中有了更多可能性。以下從相關(guān)化學(xué)助劑的作用理論和種類進行歸納、總結(jié)。

2.1 助紡劑

由于純角蛋白溶液可紡性差，改善可紡性是制備角蛋白納米纖維膜的首要關(guān)注點，助紡劑的作用必不可少。助紡劑大致可分為親水性助紡劑和疏水性助紡劑兩大類。在改善可紡性的基礎(chǔ)上使用親水性助紡劑可避免有毒有機溶劑的加入，更有利于將角蛋白納米纖維膜應(yīng)用在醫(yī)用等領(lǐng)域；疏水性助紡劑則基于其本身的優(yōu)良性能使得制備的角蛋白納米纖維膜增加更多優(yōu)勢，同樣值得關(guān)注。

2.1.1 親水性助紡劑

親水性高分子可與角蛋白中豐富的羥基、氨基等官能團形成分子間和分子內(nèi)氫鍵，使角蛋白與助紡劑達到互溶的目的并可有效提高溶液黏度，從而改善角蛋白溶液的可紡性。同時，親水性助紡劑能滲透到角蛋白高分子的三維空間網(wǎng)絡(luò)中，削弱分子鏈之間的氫鍵等作用力，從而提高膜材料的韌性，改善其力學(xué)性能[13]。除此之外，角蛋白具有良好的生物相容性和降解性[14]，而常用于與天然高分子材料混合制備納米纖維的親水性高分子如聚環(huán)氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）等具有良好的生物相容性、低毒性、成膜性以及綠色安全等特點，且在使用中以水為溶劑可避免有毒有機溶劑的摻入，因此制備的角蛋白納米纖維膜仍可保持良好的生物相容性。

Sow[15]研究了人發(fā)角蛋白/PEO 纖維膜中兩組分含量對膜形貌的影響，研究結(jié)果表明，純蛋白纖維膜的纖維結(jié)構(gòu)上容易聚集大量珠節(jié)且纖維粗細不均，形態(tài)不佳。添加助紡劑PEO 后，纖維直徑逐漸均勻、珠節(jié)逐漸減少。當PEO添加量為0.5%時，可獲得直徑大小均勻、光滑、無珠節(jié)的納米纖維膜。Li等[16]將角蛋白與PEO混合，通過靜電紡絲技術(shù)制備角蛋白/PEO 納米纖維膜，當角蛋白/PEO 的比例為10/90、20/80 和30/70 時，其纖維中的珠節(jié)數(shù)量極少，且相對連續(xù)光滑。李佳等[17]同樣在角蛋白與PEO比例為30/70時紡得粗細均勻、光滑的納米纖維膜，并通過檢測不同時間的細胞黏附以及生長形態(tài)發(fā)現(xiàn)，人發(fā)角蛋白/PEO 納米纖維支架具有較好的生物相容性。

He 等[18]通過靜電紡絲技術(shù)制備雞毛角蛋白/PVA 納米纖維膜，并探究了角蛋白與PVA 的不同質(zhì)量比對纖維膜理化性質(zhì)的影響。研究表明，當混合紡絲液中PVA 含量增加至60%起，均能紡出無珠節(jié)、纖維直徑均勻的納米纖維膜，且纖維膜的韌性有所升高。Choi等[19]通過靜電紡絲技術(shù)成功制備了人發(fā)角蛋白/PVA 復(fù)合納米纖維材料并對其力學(xué)性能進行探究。研究結(jié)果表明，該復(fù)合膜的拉伸強度和彈性模量（19MPa 和272.8MPa）比聚乙烯醇純納米纖維膜（10.7MPa 和72.4MPa）明顯提高。Wang 等[20]采用靜電紡絲技術(shù)將PVA 與角蛋白共混制備納米纖維，并將其植入SD 大鼠體內(nèi)，研究其生物相容性。結(jié)果表明，角蛋白/PVA 納米纖維具有均勻的纖維結(jié)構(gòu)、適宜的親水性，納米纖維與組織相容性好，無系統(tǒng)毒性。

由此可見，PEO 以及PVA 等親水性助紡劑不僅能有效提高靜電紡絲液的可紡性，而且所制得的納米纖維膜材料有望在生物醫(yī)用材料、組織工程材料等領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用。

2.1.2 疏水性助紡劑

應(yīng)用于蛋白基靜電紡絲納米纖維膜制備中的疏水性助紡劑是一類可紡性能好的疏水性高分子，如聚己內(nèi)酯（PCL）[21]、聚氨酯（PU）[22]、聚乳酸（PLA）[23]、聚酰胺-6（PA-6）[24]等。它們本身具有較好的力學(xué)性能和降解性能，但由于缺少細胞識別信號和親水性的特征，不利于細胞黏附和增殖，無法單獨應(yīng)用在生物醫(yī)用材料。Wu 等[25]發(fā)現(xiàn)在PCL納米纖維中添加角蛋白可以提高紡絲后的納米纖維氈的親水性，進而促進復(fù)合納米纖維氈的細胞粘附和增殖。Wang 等[26]從人發(fā)中提取角蛋白與PU共紡并原位固定納米銀粒子，制備了角蛋白/PU/AgNPs納米纖維復(fù)合墊。納米纖維墊結(jié)構(gòu)均勻，并具有良好的細胞活力和抗菌性能，能促進傷口愈合，有望成為皮膚修復(fù)的良好創(chuàng)面敷料材料。由此可見，將疏水性助紡劑與含有豐富生物信號的角蛋白結(jié)合紡絲，是目前改善疏水性膜材料中潤濕性和生物相容性的重要手段。

但親水性的蛋白質(zhì)與疏水性的高聚物在實際操作中相容性差。因此，水溶性蛋白質(zhì)要與疏水性高分子材料進行共混改性，尋找共溶溶劑最為關(guān)鍵。王魁[21]以甲酸為共溶溶劑，配制角蛋白/PCL/甲酸混合紡絲液，紡出角蛋白/PCL 復(fù)合納米纖維膜。當助紡劑PCL 的含量高于30%時，紡絲液的黏度逐漸增大，電導(dǎo)率相對減少，可紡性變好，在電鏡下可見明顯纖維結(jié)構(gòu)，纖維均勻性越來越好，纖維間無珠節(jié)。Aluigi等[24]以甲酸為溶劑、PA-6為助紡劑，通過靜電紡絲技術(shù)制備了均勻性好、無相偏聚的羊毛角蛋白/PA-6 共混納米纖維膜。Edwards等[27]以三氟代乙醇（TFE）為共溶劑，以PCL 為助紡劑，通過靜電紡絲技術(shù)制備PCL/人發(fā)角蛋白納米纖維膜，同時對這種納米纖維膜在組織工程、化學(xué)結(jié)構(gòu)、水介質(zhì)中的潛在用途進行了研究，并測定了其與細胞的相容性。生物實驗結(jié)果表明，該復(fù)合材料具有較好的生物相容性，耐水性也有很大提高。這種添加聚合物助劑的角蛋白混合納米纖維對生物醫(yī)學(xué)和復(fù)合材料的發(fā)展有一定的促進作用，同時也為組織工程和再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用提供了新的納米纖維材料。

然而，尋找共溶溶劑的難度較大，為解決這方面問題，還可以對親水性蛋白質(zhì)進行預(yù)改性，提高其與疏水性高分子材料的相容性，便于進行混合紡絲。例如，采用采用碘乙酸、碘乙酰胺和2-溴乙胺對還原法提取的角蛋白進行改性，改性后的巰基無法被氧化成穩(wěn)定的雙硫鍵，從而增加了其在有機溶劑中的溶解性[28-29]。Yuan 等[30]用碘乙酸改性羽毛角蛋白后與3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯的共聚物（PHBV）相混合，成功紡出PHBV/改性角蛋白納米纖維膜，并分別利用PHB 解聚酶、胰酶和體外培養(yǎng)小鼠胚胎細胞對納米纖維支架的生物降解性以及生物相容性進行研究。結(jié)果表明，PHBV/改性角蛋白膜比純PHBV膜濕潤性強，有利于細胞在膜上的附著和繁殖。細胞實驗也證明了PHBV/改性角蛋白納米纖維膜的生物相容性良好。

相較之下，添加疏水性助紡劑不僅可以改善角蛋白紡絲溶液的可紡性，而且制備的角蛋白復(fù)合納米纖維膜具有更好的耐水性和吸水滲透性，在未交聯(lián)的情況下其綜合性能已經(jīng)可以媲美某些已交聯(lián)的添加親水性助紡劑的角蛋白納米纖維膜。因此，提高疏水性助紡劑與角蛋白的相容性仍是今后研究的方向。除了尋找共溶溶劑外，還可以進一步研究角蛋白、疏水性高聚物助紡劑與共溶溶劑間的溶解機理，通過改性的方式提高它們在常用有機溶劑中的溶解度。此外，探究疏水性助紡劑的生物相容性和生物降解性，開拓角蛋白基材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用也是今后研究的熱點和發(fā)展的趨勢。

2.2 交聯(lián)劑

角蛋白溶液的可紡性差可通過添加助紡劑改善，而角蛋白纖維膜脆性大、綜合性能不足的特點同樣作為角蛋白膜研究的一個重要支點，為了增強角蛋白膜的綜合性能，交聯(lián)改性也作為區(qū)別于助紡劑之外的一個重要手段。交聯(lián)劑可以將兩個或者更多的分子（一般為線型分子）相互鍵合交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的較穩(wěn)定分子（體型分子）。在制備蛋白基納米纖維膜材料的過程中，交聯(lián)劑可以在配制紡絲液時連接特定基團，使角蛋白與角蛋白間、角蛋白與助紡劑間、助紡劑與助紡劑間形成交聯(lián)橋、交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，得到分子量較大、可紡性能較好的紡絲液[31]；也可以通過蒸汽、浸泡等方式使納米纖維成型的蛋白基膜材料進行交聯(lián)改性，改善其綜合性能。

2.2.1 醛類交聯(lián)劑

醛類交聯(lián)劑中的醛羰基可與角蛋白中的羥基、氨基、巰基發(fā)生反應(yīng)，特別是一些雙醛類化合物可作為交聯(lián)橋鍵合角蛋白和其他高聚物形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[31]。目前，常用于材料交聯(lián)改性的醛類交聯(lián)劑有乙二醛、戊二醛等具有雙醛基的有機化合物。雙醛基類有機化合物由于其特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)被廣為用作交聯(lián)劑，原因是其分子中兩個羰基的極化結(jié)構(gòu)使得它容易與某些極性基團發(fā)生親核反應(yīng)[32]。角蛋白上豐富的羥基和氨基很容易與雙醛基類有機化合物中帶有正電荷的羰基碳發(fā)生反應(yīng)，進而達到對角蛋白進行交聯(lián)改性的目的。Lee等[33]以戊二醛為交聯(lián)劑，采用靜電紡絲法制備了具有光學(xué)透明性和生物相容性的碳量子點（C-dots）觸發(fā)光致發(fā)光角蛋白/聚乙烯醇（PVA）/C-dots 納米纖維膜，得到的纖維粗細均勻，并在活細胞環(huán)境中表現(xiàn)出生物相容性。Park 等[34]在角蛋白/PVA 混合紡絲液中加入乙二醛溶液，在靜電場下制備原位交聯(lián)角蛋白/PVA 納米纖維膜，并探究交聯(lián)劑的用量對纖維膜耐水性能的研究。研究表明，未交聯(lián)的角蛋白/PVA 納米纖維極易溶脹，而隨著交聯(lián)劑添加量的增加，交聯(lián)后的納米纖維膜表現(xiàn)出良好的耐水性能，當添加量達到12%時，該膜基本能保持原有的纖維結(jié)構(gòu)。交聯(lián)改性后，交聯(lián)劑鍵合人發(fā)蛋白和PVA 分子中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維形態(tài)均勻，力學(xué)性能良好，同時具有優(yōu)異的抗菌活性，為人發(fā)角蛋白納米纖維材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了潛在的前景。戊二醛是一種比較優(yōu)秀的蛋白質(zhì)固定劑，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程、細胞免疫學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。戊二醛交聯(lián)活性高，反應(yīng)快，結(jié)合量大，產(chǎn)物穩(wěn)定，對沸水、酸、酶的抵抗力強。戊二醛作為常用的化學(xué)交聯(lián)劑，成本低、交聯(lián)效率高，可用于交聯(lián)蛋白質(zhì)、膠原、明膠和殼聚糖等。Yao 等[35]將靜電紡得的人發(fā)角蛋白/明膠納米纖維膜置于50%的戊二醛溶液中進行水蒸氣交聯(lián)后，得到纖維大小均勻，無顆粒的納米纖維膜。動物實驗發(fā)現(xiàn)，該膜有促進血管形成、皮膚創(chuàng)面愈合的效果。Giuri等[36]研究了羊毛角蛋白和水滑石納米復(fù)合電紡非織造布，證實了靜電紡絲前在每毫克蛋白溶液中加入添加0.4μL的戊二醛，可有效提高角蛋白/HTD 復(fù)合納米纖維膜在生理條件下的穩(wěn)定性。即使研究如此，但使用戊二醛交聯(lián)改性仍使材料具有很大的應(yīng)用風(fēng)險，原因是戊二醛即使在低濃度下，仍具有較強的細胞毒性，會導(dǎo)致組織硬化，且會影響生物醫(yī)用材料的與組織的相容性。

傳統(tǒng)的醛類交聯(lián)劑一般是小分子醛，毒性較大且易殘留，從而限制了蛋白基納米纖維膜在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用。目前，越來越多研究人員制備高分子醛類試劑作為交聯(lián)劑，以彌補傳統(tǒng)醛類交聯(lián)劑的不足。例如，在淀粉、纖維素等天然高分子材料中引入雙醛基團制備穩(wěn)定性高效果好的雙醛淀粉、雙醛纖維素。Dou 等[31,37]采用雙醛淀粉作為交聯(lián)劑，對羽毛角蛋白基膜材料進行交聯(lián)處理。研究表明，雙醛淀粉能夠與角蛋白形成分子間或分子內(nèi)鍵合，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，改善該角蛋白基膜材料的耐水性能。值得關(guān)注的是，由于龐大的雙醛淀粉分子不容易到達蛋白質(zhì)基質(zhì)中的反應(yīng)基團或者雙醛淀粉與大量親水基團的增塑反應(yīng)抵消交聯(lián)效應(yīng)的原因，隨著雙醛淀粉交聯(lián)劑用量的增加，該角蛋白基膜的抗拉強度和水蒸氣透過率呈現(xiàn)先減后增的趨勢。相比于低分子醛類，以天然高分子淀粉為原料制備的雙醛淀粉毒性大大減弱，雙醛淀粉交聯(lián)后的角蛋白膜結(jié)構(gòu)更致密，透明性更好。結(jié)果證明，雙醛淀粉誘導(dǎo)交聯(lián)改善了納米纖維膜的致密性、相容性和穩(wěn)定性等性能，擴大了角蛋白納米纖維膜在生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.2.2 醚類交聯(lián)劑

最常用于角蛋白基材料的醚類交聯(lián)劑是乙二醇二縮水甘油醚（EGDE）和京尼平，其與角蛋白作用后，能使球型角蛋白分子相互之間發(fā)生交聯(lián)形成棒狀的角蛋白。棒狀角蛋白的形成同樣可達到提高其耐水性和可紡性能的目的。Liu 等[38]在角蛋白/PEO混合紡絲液中加入EGDE作為交聯(lián)劑，當交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為3.73%時，制得角蛋白/PEO 質(zhì)量比為90/10 的高蛋白含量納米纖維。實驗結(jié)果表明，加入交聯(lián)劑后靜電紡絲的角蛋白納米纖維連續(xù)、光滑無珠節(jié)，微觀形貌良好。交聯(lián)劑EGDE的加入提高了納米纖維的疏水性能和結(jié)晶度，開辟了制作高含量角蛋白的納米纖維墊有效途徑，對于細胞生長或組織工程尤其有前途。Fan 等[39]采用EDGE 對人發(fā)角蛋白納米纖維膜進行交聯(lián)。結(jié)果表明：人發(fā)角蛋白/PEO 混紡比可提高到90/10，極大地改善了天然蛋白質(zhì)的可紡性。

京尼平是一種優(yōu)良的天然生物交聯(lián)劑，可與蛋白質(zhì)、膠原、明膠和殼聚糖等結(jié)合制備各種納米纖維膜材料。結(jié)構(gòu)上，京尼平是一個環(huán)烯醚萜類雜環(huán)化合物，其中的羥基、羧基等多個活性官能基團可與氨基發(fā)生反應(yīng)，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[40]。與醛類交聯(lián)劑相比，京尼平物生相容性優(yōu)異，毒性是戊二醛的萬分之一。翟培羽[41]利用京尼平對角蛋白/PEO 納米纖維進行交聯(lián)改性，F(xiàn)TIR 表明京尼平成功與角蛋白分子的自由氨基發(fā)生了反應(yīng)。對比交聯(lián)前后角蛋白/PEO 納米纖維耐水性的變化發(fā)現(xiàn)：京尼平交聯(lián)時間較短的情況下（12h），納米纖維浸入水中2天會發(fā)生部分溶解的現(xiàn)象；京尼平交聯(lián)36h，納米纖維在水中浸泡2天發(fā)生輕微的溶脹現(xiàn)象，沒有發(fā)生溶解。因此，京尼平作為交聯(lián)劑可有效提高角蛋白/PEO 納米纖維的耐水性能。Grolik 等[42]用京尼平交聯(lián)角蛋白/膠原蛋白/殼聚糖混合液，澆注法制備的復(fù)合膜力學(xué)性能有很大改善，并體現(xiàn)出良好的生物相容性。

2.2.3 其他交聯(lián)劑

除了以上幾類交聯(lián)劑，還存在有一些其他類型的交聯(lián)劑，其中如NHS/EDC 復(fù)配交聯(lián)劑——1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽/N-羥基琥珀酰亞胺（EDC/NHS）、檸檬酸等較為常用。NHS/EDC 能與蛋白質(zhì)中的氨基和羧基反應(yīng)，交聯(lián)過程中EDC、NHS 不進入膠原基質(zhì)，而是轉(zhuǎn)變成水溶性的脲衍生物，所以采用NHS/EDC 對膜進行交聯(lián)改性不會對細胞產(chǎn)生毒副作用[43]。張恒[44]將羊毛角蛋白/PEO纖維膜浸沒在NHS/EDC的乙醇/水溶液中進行交聯(lián)處理。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)交聯(lián)后的膜其耐水性有很大提升，溶失率由未交聯(lián)的90%最后通過交聯(lián)能夠達到了35%左右。拉伸強度由未交聯(lián)的幾乎為0MPa 在交聯(lián)后可達到0.6～1.8MPa。Ding等[45]利用檸檬酸蒸汽交聯(lián)改性羽毛角蛋白/PVA/PEO復(fù)合納米纖維。結(jié)果表明，通過檸檬酸交聯(lián)改性后，羽毛角蛋白/PVA/PEO 復(fù)合納米纖維的耐水性和力學(xué)性能有明顯的提高。其中，檸檬酸蒸汽交聯(lián)12h 后的羽毛角蛋白/PVA/PEO 納米纖維的抗拉強度、斷裂伸長率和接觸角分別是交聯(lián)前的4.5倍、3.7倍和2.5倍。

良好的交聯(lián)劑應(yīng)具有對蛋白質(zhì)的交聯(lián)度高、生成的物質(zhì)單一、不影響蛋白質(zhì)的活性、生物相容性好等特點，但是現(xiàn)階段應(yīng)用的交聯(lián)劑都不能完全符合上述全部要求。醛類交聯(lián)劑中常用的戊二醛價格低廉、活性高、反應(yīng)速度快，反應(yīng)后的物質(zhì)對蛋白質(zhì)的精密結(jié)構(gòu)沒有影響，但戊二醛交聯(lián)過程不易控制，并且具有細胞毒性，不適宜生物醫(yī)用材料的制備。EGDE 是一種環(huán)氧化合物，與蛋白質(zhì)的羧基、氨基、羥基等發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生共價鍵實現(xiàn)交聯(lián)，具有低黏度、高活性和低揮發(fā)性等特點。相比之下，京尼平、檸檬酸等作為交聯(lián)劑最大的優(yōu)勢在于它們是天然環(huán)保交聯(lián)劑，其毒性遠遠低于醛類等合成類交聯(lián)劑。

2.3 抗菌劑

向角蛋白基納米纖維膜增益抑菌抗菌功能是作為其應(yīng)用在生物醫(yī)用材料的一項優(yōu)勢，而添加抗菌劑則作為常用手段。抗菌劑是一類能夠在一定時間內(nèi)，使某些微生物的的生長或繁殖保持在必要水平以下的化學(xué)物質(zhì)[46]。在靜電紡絲角蛋白納米纖維膜的制備中添加抗菌劑可以賦予其抗菌功能，為其在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用提供必要的保障。

目前，應(yīng)用于角蛋白基納米纖維膜中的抗菌劑主要以無機系抗菌劑為主，如納米銀、氧化鋅、二氧化鈦等[47-48]。無機抗菌劑微粒在達到納米尺寸時具有很強的光催化能力，可與微生物細胞中的巰基（—SH）等反應(yīng)，破壞細胞的正常代謝，從而抑制微生物的生長繁殖，達到抗菌效果，且能持續(xù)有效地發(fā)揮作用[49]。這些無機抗菌劑微粒具有無毒、抗菌效率高、不產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用到抗菌型組織工程材料和藥物輔料當中[50]。

納米銀中由于銀離子（Ag+或Ag2+）帶正電荷，與帶負電荷的細胞膜依靠庫侖引力相互吸引，緊接與微生物細胞機體中酶蛋白的巰基（—SH）反應(yīng)，使蛋白質(zhì)凝固，導(dǎo)致菌體死亡[51]。Wang等[26]以納米銀作為抗菌劑，制備PU/角蛋白/納米銀納米纖維膜，并研究其抗菌性。抑菌實驗結(jié)果顯示，該膜對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均有抗菌效果，對金黃色葡萄球菌的抑制能力更強。另外細胞增殖和細胞活性實驗也表明了該膜具有良好的抑菌性能。He等[52]采用靜電紡絲法制備了納米銀包埋的FK/PVA/PEO抗菌復(fù)合納米纖維膜。結(jié)果表明，復(fù)合納米纖維表面光滑無珠?？咕鷮嶒灲Y(jié)果表明，納米銀包埋的FK/PVA/PEO納米纖維對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均有抗菌活性。綜上所述，嵌入納米銀的角蛋白基復(fù)合納米纖維在生物材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

納米氧化鋅、二氧化鈦是一種光催化抗菌劑，在光照條件下產(chǎn)生羥基自由基和原子氧。羥基自由基具有強氧化性，將各種有機物（包括有害微生物體內(nèi)的）氧化分解為CO2和H2O，從而起到抗菌作用[53]。Nasajpour等[54]研制了一種納米氧化鋅/PCL納米纖維復(fù)合膜，并對其抗菌性能進行了分析。研究表明，摻入氧化鋅納米粒子的PCL納米纖維具有顯著的抗牙齦卟啉單胞菌活性。在培養(yǎng)1 天和5 天后，含有質(zhì)量體積分數(shù)為0.5%和1%納米氧化鋅的納米纖維膜在兩段時間內(nèi)與純PCL膜相比，均表現(xiàn)出顯著的抗菌性能。Ahmed等[55]采用靜電紡絲法制備了殼聚糖、聚乙烯醇和氧化鋅納米纖維膜，并在家兔體內(nèi)進行了傷口愈合實驗。結(jié)果表明，殼聚糖/PVA/ZnO 納米纖維膜比殼聚糖/PVA 納米纖維膜對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、枯草桿菌和金黃色葡萄球菌具有更高的抗菌活性、抗氧化能力以及更快的創(chuàng)面愈合速度。因此，此類電紡支架可有效地用于糖尿病創(chuàng)面的敷料，是一種快速愈合糖尿病創(chuàng)面的有效選擇。王雪芳等[56]采用靜電紡絲技術(shù)制備了TiO2/PLA纖維膜。結(jié)果表明：純PLA納米纖維膜的抗菌性能不明顯，但添加TiO2后納米纖維膜表現(xiàn)出良好的抗菌性能。當TiO2的質(zhì)量分數(shù)為1%時，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別高達92.9%和92.2%。

然而，納米抗菌顆粒摻入紡絲液中容易引發(fā)團聚，從而降低纖維膜材料的抗菌能力。因此，添加具有生物相容性、可降解性等性能的天然抗菌劑逐漸成為納米纖維改性優(yōu)化的研究熱點。目前，用于改性納米纖維的天然抗菌劑主要以殼聚糖為代表。殼聚糖是一種應(yīng)用廣泛的天然高分子材料，具有優(yōu)異的廣譜抗菌性、抗感染性、抗腫瘤性、生物性相容性和生物可降解性[57-58]、促進凝血和傷口愈合并促進藥物的吸收和減小疤痕等特性[59]，已被深入研究并廣泛應(yīng)用于不同的組織工程領(lǐng)域[60]。除此之外，殼聚糖沒有生物毒性，宿主反應(yīng)較小，長期植入機體內(nèi)不易引發(fā)慢性炎癥。殼聚糖分子中含有的大量羥基和氨基可以與角蛋白進行交聯(lián)和接枝反應(yīng)。Zhou 等[61]制備了殼聚糖/光效蛋白抗菌支架，微生物抑制試驗結(jié)果表明，復(fù)合納米纖維墊對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有優(yōu)異的抗菌活性，可用于抗菌包裝、組織工程、傷口敷料等。根據(jù)上述分析，角蛋白和殼聚糖的結(jié)合有望提高復(fù)合支架的力學(xué)性能和抗菌活性，有利于傷口愈合和皮膚再生。Tan 等[62]在角蛋白溶液中加入不同濃度的殼聚糖形成多孔角蛋白/殼聚糖（KCS）支架，并用金黃色葡萄球菌和大腸桿菌懸液進行抑菌性能評價。結(jié)果表明，多孔角蛋白/殼聚糖支架的抗菌活性隨殼聚糖濃度的增加而增大，當殼聚糖濃度大于400μg/mL時，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率分別達到70%和80%以上，可用于傷口愈合和皮膚再生。Zhao等[63]通過靜電紡絲法制備出一種用于傷口敷料的膠原蛋白/殼聚糖電紡納米纖維膜，對成纖維原細胞的生長無影響，纖維膜沒有顯示出細胞毒性，表明其具有良好的體外生物相容性；動物實驗結(jié)果顯示出比商用膠原質(zhì)海綿敷料有更好的傷口愈合效果。

在抗菌劑方面，用無機抗菌劑制備抗菌納米纖維的研究已經(jīng)逐漸成熟，同時也暴露了很多問題，影響納米纖維膜的抗菌性能。因此，開發(fā)一些天然抗菌劑通過共混方式摻入到納米纖維中，或通過接枝的方式在納米纖維上接枝具有抗菌性能的官能團，賦予它抗菌效果，這將是今后非常具有前景的研究課題之一。

3 結(jié)語與展望

角蛋白是一種重要的可再生資源，具有可生物降解、生物相容好、價格低廉等優(yōu)點，從廢棄的毛發(fā)中提取豐富的角蛋白制備角蛋白基材料，在保護環(huán)境的同時又充分利用了角蛋白資源。而在利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料時，純角蛋白溶液的可紡性、成纖性差，且制備得到的角蛋白納米材料綜合性能不佳。添加化學(xué)助劑對其進行改性優(yōu)化可以大大提高角蛋白納米纖維的綜合性能，此舉為開拓角蛋白材料在生物醫(yī)藥和食品包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

目前，在靜電紡角蛋白納米纖維中添加化學(xué)助劑的研究已經(jīng)得到一定的發(fā)展，基本上可以紡制出較為滿意的纖維膜。今后對這方面的研究主要集中在以下幾點：①提高疏水性助紡劑與角蛋白的相容性仍是研究的重點，除了尋找共溶溶劑外，進一步研究共溶機理，通過改性等方式提高其在常用有機溶劑中的溶解度；②開發(fā)無毒、生物相容性好的天然交聯(lián)劑，探究其交聯(lián)機理，進一步提升角蛋白基納米纖維材料的綜合性能，擴展其應(yīng)用領(lǐng)域；③探索天然抗菌劑與角蛋白納米纖維的作用機理，在納米纖維上研究接枝、改性或共混等引入抑菌性能官能團的方式，賦予角蛋白基納米材料良好的抗菌效果。