絲膠蛋白的重要特性及提取方法

蔣恒翔

[1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215123；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室（蘇州），江蘇 蘇州215123]

單根蠶絲由外層絲膠蛋白（Silksericin，SS）和包裹著內(nèi)層兩根平行排列的絲素蛋白（Silkfibroin，SF）纖維組成，外層的絲膠蛋白緊緊地包裹核心的絲素蛋白纖維層，起到保護(hù)和膠合的作用，從而維持蠶絲的穩(wěn)定性和機(jī)械性能[1]。絲膠蛋白作為蠶絲的主要組分，通常在傳統(tǒng)紡織領(lǐng)域中被當(dāng)做廢料而丟棄，十分可惜。但絲膠有很多特性，有可以作為醫(yī)用材料的潛力。

1 絲膠蛋白的重要特性

由于絲膠蛋白特定的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，絲膠蛋白展示出良好的成膠性、生物相容性、較低的免疫原性和獨(dú)特的天然熒光特性，近年來逐漸成為受到廣泛關(guān)注的新型天然材料。

1.1 成膠性

水凝膠是一種通過借助分子鏈間交聯(lián)而形成的具有吸收并保持大量水分且不溶于水的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料。水凝膠材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中可以模擬細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境，作為細(xì)胞或生長因子的載體支持細(xì)胞的生長，Qi 等[1]成功開發(fā)和利用光交聯(lián)手段獲得絲膠蛋白水凝膠，并將其作為一種新型修復(fù)全層皮膚損傷的創(chuàng)面敷料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在小鼠全層皮膚損傷模型中植入絲膠蛋白水凝膠可促進(jìn)創(chuàng)面無疤痕愈合，并能有效再生毛囊和皮脂腺。這種基于絲膠蛋白的水凝膠作為組織損傷修復(fù)的生物材料，充分展示了絲膠蛋白水凝膠在促進(jìn)組織再生和功能恢復(fù)方面的積極作用。

1.2 獨(dú)特的天然熒光特性

絲膠蛋白自身具有天然的廣譜熒光特性。Wang等[2]通過共價(jià)交聯(lián)獲得了一種可注射的絲膠蛋白水凝膠，該水凝膠當(dāng)被波長范圍為280～560 nm 的光激發(fā)時(shí)，絲膠蛋白顯示出固有的熒光特性。該水凝膠顯示出的良好的光致發(fā)光特性，使其能夠在小鼠模型體內(nèi)進(jìn)行生物成像和體內(nèi)追蹤。

1.3 良好的生物相容性與較低的免疫原性

生物材料應(yīng)具有良好的生物相容性和低免疫原性，以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于絲膠蛋白的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，使其表現(xiàn)出良好的生物相容性。Panilaiti 等[3]研究結(jié)果表明，當(dāng)絲膠蛋白單獨(dú)使用時(shí)，并不會引起小鼠巨噬細(xì)胞的吞噬，但與絲素蛋白結(jié)合一起使用時(shí)，其免疫反應(yīng)會顯著增強(qiáng)。這說明當(dāng)絲膠與絲素呈結(jié)合狀態(tài)時(shí)才會表現(xiàn)一定的免疫原性。

2 絲膠蛋白的提取方法

由于絲膠蛋白良好的水溶性、成膠性、獨(dú)特的天然熒光特性、優(yōu)異的生物相容性和較低的免疫原性等生物學(xué)特性，人們逐漸意識到絲膠蛋白作為一種生物材料的重要性。在繭絲綢行業(yè)中，制取生絲的主要過程在于脫膠，絲膠蛋白會隨脫膠廢水大量排出，不僅會增加污水處理的成本與難度，也是對絲膠蛋白這一重要天然資源的浪費(fèi)。因此，從脫膠廢水中提取絲膠蛋白，變廢為寶，可以對絲膠蛋白進(jìn)行有效利用。國內(nèi)外研究學(xué)者對脫膠廢水中回收絲膠蛋白的問題進(jìn)行了廣泛的研究，目前脫膠廢水提取絲膠蛋白的技術(shù)方法主要分為化學(xué)法和物理法兩大類。

2.1 物理方法

2.1.1 超濾法

超濾法主要是利用具有合適孔徑的微孔濾膜進(jìn)行絲膠蛋白的提取。絲膠蛋白的分子量大，當(dāng)通過微孔濾膜時(shí)會被截留下來，而小分子物質(zhì)會通過微孔濾膜去除，最終使溶液中絲膠蛋白的濃度提高，從而實(shí)現(xiàn)絲膠蛋白的提取。利用超濾法可高效回收絲膠蛋白，并且所獲得的絲膠蛋白純度較高。Li[4]等研究并優(yōu)化了酸化沉淀-超濾-納濾組合工藝，從繅絲廢水中回收高純絲膠蛋白。采用界面聚合法制備了內(nèi)壓中空纖維聚苯胺復(fù)合膜，用超濾膜-納濾膜一體化工藝處理后的上清液中絲膠蛋白的回收率可達(dá)72.1%。優(yōu)化后的超濾-納濾組合工藝可回收蠶繭蒸煮廢水、精制廢水和混合廢水中86.0%以上的絲膠蛋白。但是使用過程中微孔濾膜容易堵塞污染，需要定期更換，回收過程中使用的微孔濾膜和相關(guān)的儀器設(shè)備成本較高。

2.1.2 離心法

絲膠蛋白溶液為膠體溶液，在脫膠廢液中絲膠顆粒和水的比重不同，在高速離心機(jī)的作用下，可以通過對于離心機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，分離出不同分子量的蠶絲絲膠，去除上層溶液，回收絲膠。在離心分離之前，首先要保證絲膠顆粒從溶液中沉淀下來，此方法回收的絲膠提取率不高，且純度不高。

2.1.3 高溫水解法

高溫水解法是采用高溫水浴的方法使絲膠溶解在熱水中，后續(xù)采用離心、過濾的方法去除不溶性的絲素蛋白，并可保持絲膠蛋白的天然結(jié)構(gòu)。而該方法的缺點(diǎn)是絲膠蛋白回收率較低，不適合工業(yè)上大批量的提取。也有研究者通過紅外輻射加熱水，可一定程度上提高絲膠蛋白的提取率，主要原因是這一過程中包括輻射加熱，其中能量以電磁波的形式直接轉(zhuǎn)移到材料。

2.2 化學(xué)法

2.2.1 有機(jī)溶劑法

利用乙醇或丙酮等有機(jī)溶劑的吸水性來破壞蛋白質(zhì)膠粒的水化層，從而使蛋白質(zhì)從溶液中沉淀下來。該方法會需要較高的絲膠濃度，這時(shí)成本會大大增加，不適合工業(yè)生產(chǎn)。

2.2.2 離子交換回收法

蠶絲精煉一般是在堿性條件下進(jìn)行，根據(jù)正負(fù)電荷相互吸引原理，帶有陽離子的物質(zhì)，借助靜電引力可以吸附絲膠蛋白。離子交換回收工藝復(fù)雜，回收率低。

3 結(jié)語

近年來，絲膠蛋白獨(dú)特生物物理特性使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到人們的廣泛關(guān)注，特別是絲膠蛋白具有豐富的極性官能團(tuán)，使其易于交聯(lián)并可與其他材料共混，從而獲得具有改進(jìn)功能的絲膠蛋白基生物材料。