再生蠶絲蛋白纖維的濕法制備及醫(yī)學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

黎麟玉 嚴(yán)小飛 田 偉

（浙江理工大學(xué)，浙江杭州，310018）

再生蠶絲蛋白纖維主要是以廢真絲、絹紡下腳料等廢棄蛋白纖維為原材料，采用生物化學(xué)工程技術(shù)從中提煉出蛋白粉，再通過紡絲生成［1］。再生蠶絲蛋白纖維較天然蠶絲成本更低且某些性能更好，具有良好的發(fā)展前景。

1 濕法紡絲再生蠶絲蛋白的制備

1.1 工藝流程

廢真絲、絹紡下腳料→洗滌→烘干→稱重→氧化→水洗→脫水→水解→過濾→混合→過濾→計量泵計量→紡絲→凝固→牽伸→水洗→烘干→打包［2］。濕法紡絲過程［3］如圖1 所示。

圖1 濕法紡絲工藝流程圖

1.2 影響條件

1.2.1 脫膠

絲膠溶于水，絲素不溶于水。在一定條件下，絲膠溶解脫落，而絲素保留。脫膠處理不當(dāng)會部分破壞絲素纖維，造成再生絲素纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)不勻，表面粗糙，影響后續(xù)加工，性能降低［4］。

1.2.2 溶解

絲素能在強酸強堿、高濃度鹽中溶解［5］。但強酸強堿會破壞分子鏈的規(guī)整性，削弱分子間氫鍵作用，降低絲素蛋白分子量，破壞內(nèi)部結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)等。

1.2.3 工藝參數(shù)

通過控制紡絲濃度、拉伸應(yīng)力、拉伸倍數(shù)、拉伸速度、拉伸方式等能改變再生蠶絲二級結(jié)構(gòu)中β-折疊的含量、分子鏈的規(guī)整性和取向度等，實現(xiàn)力學(xué)性能的提高。濃度對絲素蛋白的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響較大，水分在絲蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變中的作用可能類似于高聚物加工中的增塑劑，通過削弱大分子鏈之間的相互作用，降低再生蠶絲的力學(xué)性能［6］；增大拉伸應(yīng)力能促使β-折疊的形成和提高分子鏈的規(guī)整性、取向度，拉伸應(yīng)力越大，β-折疊結(jié)構(gòu)的含量越高；拉伸倍數(shù)在一定范圍內(nèi)增大，能提高大分子的取向度，增加分子之間的氫鍵或其他分子間作用力［7］；拉伸速度影響溶液中的水分是否充分揮發(fā)等；拉伸方式影響分子鏈的取向程度［8］等。

1.2.4 改性

化學(xué)改性是指在化學(xué)反應(yīng)中引入一些功能性基團、單體或大分子鏈，對蠶絲纖維的氨基酸進(jìn)行修飾或交聯(lián)改性；物理改性是指通過涂層、熱處理等方法改變再生蠶絲蛋白纖維的表面光滑程度或晶體結(jié)構(gòu)。改性是賦予再生蠶絲蛋白纖維特殊性能的常見方法［9］。

1.3 制備工藝研究

濕法紡絲對紡絲液的要求較高，制備高濃度的紡絲液能從源頭上提升再生蠶絲性能，濕法制備再生絲素蛋白纖維的報道可追溯到20 世紀(jì)30年代［10］。 ISHIZAKA H 等［11］選擇磷 酸 為溶解劑和硫酸銨、硫酸鈉為凝固劑紡絲時，發(fā)現(xiàn)絲素蛋白在磷酸中會嚴(yán)重降解，影響其性能。KI C S 等［12］分別將絲素溶解在不同體積比的磷酸、甲酸的混合溶液中，然后以甲醇為凝固劑紡絲，發(fā)現(xiàn)甲酸能延緩磷酸引起的絲素降解，隨著磷酸的增加，絲素溶解度增大，但當(dāng)磷酸體積分?jǐn)?shù)超過40% 時，絲素?zé)o法在甲醇中凝固，并確定磷酸/甲酸最佳體積混合比為20/80 和30/70。LOCK R L［13-14］以甲酸（90%）和氯化鋰（10%）混合溶液溶解蠶絲獲得了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.3% 的絲蛋白溶液，并以甲醇為凝固劑紡絲，改用硫氰酸鋰（LiSCN）溶解，絲蛋白溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到20%，又改用六氟異丙醇（HFIP）溶解得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.9% 的紡絲原液，發(fā)現(xiàn)HFIP 溶解得到的絲蛋白幾乎不會發(fā)生降解。 MATSUMOTOK 等［15］用LiBr.H2O -EtOH.H2O 混合溶液溶解蠶絲，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%～20% 的絲蛋白溶液。 再分別以甲醇、乙醇、異丁醇為凝固劑紡絲，通過對比再生蠶絲的性能發(fā)現(xiàn)，10%LiBr.H2O 的甲醇凝固浴最佳。ZHAO CH 等［16］先在40 ℃下將脫膠蠶絲溶解在9 mol/L LiBr 溶液中制備再生蠶絲膜，再以六氟異丙醇為溶解劑，甲醇為凝固劑紡絲，得到的再生蠶絲具有優(yōu)良的力學(xué)性能。左保齊等［17］將絲素分別溶解在溴化鋰、六氟異丙醇中，然后以乙醇為凝固劑紡絲，得到的再生絲素纖維力學(xué)性能比天然蠶絲差。PHILLIPS D M 等［18］用1-乙基-3-甲基咪唑氯鹽（EMIC）溶解蠶絲制備再生蠶絲，發(fā)現(xiàn)其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與天然蠶絲相似。YAN J P 等［19］用LiBr 溶解蠶絲，經(jīng)提純得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～19% 的紡絲液，再以（NH4）2SO4為凝固劑紡絲，得到的再生蠶絲力學(xué)性能接近蜘蛛絲，其力學(xué)性能有了質(zhì)的提升。王華鋒［20］用含10 g 碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% 皂化溶液溶解蠶絲制備蛋白粉，將一部分絲素溶于含有10 mol/L LiBr 的溶液中，經(jīng)濃縮過濾后得到體積分?jǐn)?shù)約為10% 的絲素水溶液。李秀艷等［21］用1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物和烯丙基-3-甲基咪唑氯化物分別溶解蠶絲，發(fā)現(xiàn)絲素均能在兩種離子體溶液中快速溶解，溶解度能達(dá)到15%，且溶解速率隨溫度升高而增大。并推測離子體溶液會破壞絲素的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，屬于直接溶解。 吳惠英等［22］分別以CaCl2-FA、CaCl2-C2H5OH-H2O 為溶解劑、水為凝固劑，制備再生蠶絲蛋白纖維，發(fā)現(xiàn)CaCl2-FA 體系下蠶絲具有良好的流動性，能在室溫下紡絲，且該體系下蠶絲的原纖結(jié)構(gòu)能被保留，為再生絲力學(xué)性能的提高提供前提。W?LTJE M 等［23］用反復(fù)短期微波加熱處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)沸騰溶液加熱對蠶絲進(jìn)行脫膠處理，然后用45 ℃ZnCl2溶解脫膠絲素，得到了具有良好細(xì)胞相容性且未經(jīng)降解的再生絲素蛋白纖維，工藝時間從52 h 縮短到4 h，使絲素的工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)更進(jìn)一步。

2 再生蠶絲蛋白力學(xué)性能研究

肖露等［24］系統(tǒng)研究了不同溶解體系對再生絲素蛋白性能的影響，對比不同溶解體系下絲素的分子量和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)絲素的分子量與穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)，且CaCl2-H2O-C2H5OH 溶解的桑蠶絲性能最佳，但分子量仍有所降低，需尋找更佳的溶解體系。張鴻昊等［25-26］系統(tǒng)研究了蠶絲多級結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、相關(guān)長度、取向度和連接度是影響力學(xué)性能的主要因素。隨后還研究了不同質(zhì)量的聚苯乙烯微球?qū)υ偕Q絲蛋白纖維力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)其作用與醇類凝固浴的作用相似，通過誘導(dǎo)絲素蛋白分子中二級結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，提高結(jié)晶度和晶體網(wǎng)絡(luò)密度，減小晶體尺寸，提高力學(xué)性能，最佳條件下斷裂強度和斷裂伸長率都超過了天然絲素蛋白纖維。除此之外，試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)Grubb提出的Fcrystal 定量相比絲素蛋白纖維中晶體取向的方法存在片面性，Gustavo 等提出的計算方法雖比Grubb 合理，但仍存在晶體散射峰強度與中間相散射峰強度重疊的問題。郭增革等［27］將預(yù)處理的柞蠶絲在微波作用下完全溶解在體積比為1∶1.25 的1-甲基咪唑和烯丙基氯中，再將混合液與微米級纖維素漿粕共混紡絲。發(fā)現(xiàn)柞蠶絲在微波作用下能良好溶解，可通過控制微波作用時間來調(diào)控溶解速率，同時具有良好的力學(xué)性能。再生絲的初始模量和斷裂強度較天然柞蠶絲分別提高了21.45% 和8.46%。

李款［28］將絲素溶液與不同質(zhì)量的納米銅混合制備再生蠶絲，發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米氧化銅和硫酸銅與脫膠蠶絲的質(zhì)量共混比為4、紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、拉伸倍率為300%、乙醇溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75% 時，再生蠶絲的力學(xué)性能提升最明顯，斷裂強度和斷裂伸長率可分別達(dá)到286.42 MPa、34.70%。 且各混合比下纖維表面均無明顯變化。王曉亮［29］采用類似的方法研究了不同粒徑納米銅對再生蠶絲力學(xué)性能的影響，并考慮了拉伸速度對其性能影響，發(fā)現(xiàn)粒徑越小，其力學(xué)性能提高越明顯，斷裂強度和斷裂伸長率可分別達(dá)到307.49 MPa、38.34%。 效果比文獻(xiàn)［28］更加明顯，這可能是在拉伸速度與拉伸倍率的共同作用下，200% 的拉伸倍率使β-折疊構(gòu)象更加完善。徐晨［30］進(jìn)一步比較了金、銀、二氧化鈦3 種納米材料對再生絲素蛋白纖維力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)3種粒子對再生絲素纖維的外貌都沒有明顯的影響，但銀的提升效果最佳且其二級結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯改變，金次之。劉巖［31］也研究了納米二氧化鈦對再生絲素蛋白纖維力學(xué)性能的影響，創(chuàng)新之處在于考慮了絲素蛋白濃度、噴絲頭規(guī)格和注射速度等條件，制備的再生絲素蛋白纖維斷裂強度和斷裂伸長率可分別提高113.11%、152.85%。 劉強［32］研究了不同粒徑二氧化硅對再生蠶絲力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)二氧化硅的加入可為絲素蛋白的結(jié)晶提供異質(zhì)模板，斷裂強度比純再生絲素提高88.5%，比天然脫膠蠶絲纖維斷裂強度提高33.5%。并發(fā)現(xiàn)納米粒子的種類對其力學(xué)性能影響很大，且相同條件下金屬納米粒子較非金屬納米粒子能更顯著地提升再生絲的力學(xué)性能。用再生絲素蛋白與碳納米管（CNT）復(fù)合材料共混制備的復(fù)合纖維的斷裂強度可提升204.6%，首次實現(xiàn)了復(fù)合膜同時具備導(dǎo)電性、熱敏電阻特性和良好的力學(xué)性能。

3 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

絲素蛋白目前最常見的醫(yī)療用形式有微球、多孔支架、水凝膠和薄膜。用于藥物裝載和釋放的微球應(yīng)用于創(chuàng)傷修復(fù)、慢性病治療等方面，加入生長因子或種子細(xì)胞的多孔支架應(yīng)用于缺損組織的修復(fù)，具有與細(xì)胞外基質(zhì)相似內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水凝膠和薄膜應(yīng)用于皮膚組織修復(fù)。雖然目前絲素蛋白已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但還有許多不可忽視的問題，如載藥微球的負(fù)載能力以及如何調(diào)控藥物緩釋時間，生長因子或種子細(xì)胞對其活性的影響，以及生物安全性等限制了其廣泛應(yīng)用［33］。

王捷［34］研究再生絲誘導(dǎo)并調(diào)控二氧化硅納米粒子進(jìn)行自主裝形成復(fù)合納米粒子，及其對抗癌藥物的負(fù)載和釋放。發(fā)現(xiàn)以該復(fù)合粒子為藥物載體能夠有效抑制癌細(xì)胞生長，且該載體克服了傳統(tǒng)模板高成本和高毒性的缺點，但這種新型模板運輸?shù)臏?zhǔn)確性、抑制腫瘤生長機理及生物安全性還有待進(jìn)一步研究。黃子軒［35］利用酰胺鍵將錳離子（Mn2+）、可富集于腫瘤細(xì)胞周圍的五肽蛋白（CREKA）、免疫檢查點抑制劑（CTLA-4）與絲膠蛋白（SS）連接并合成Mn-CREKA-CTLA-4-SS（MCCS），將MCCS 與小鼠細(xì)胞一起培養(yǎng)試驗，研究觀察發(fā)現(xiàn)MCCS 能通過調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的自噬和凋亡，刺激免疫細(xì)胞分化，同時不會引起正常細(xì)胞凋亡、壞死以及組織器官損傷等，在新型腫瘤治療一體化材料領(lǐng)域具有良好前景。

LAOMEEPHOL C 等［36］將金 鹽誘導(dǎo)和介導(dǎo)再生絲素產(chǎn)生的水凝膠與小鼠細(xì)胞一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)金離子能縮短水凝膠的制備時間，從幾周或幾天加速到幾小時或幾分鐘，并能提高細(xì)胞活性，在生物醫(yī)學(xué)方面有良好的應(yīng)用前景。 TOPRAKCIOGLU Z 等［37］克服了不對稱管狀微凝膠的制備問題，探索的液滴-微流體裝置能制備生物相容性較好的不對稱微凝膠，實現(xiàn)內(nèi)部核心的微凝膠成液態(tài)，外部的微凝膠成殼。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)可以改變分散相到連續(xù)相的流速來控制微凝膠的形態(tài)，是存儲和釋放活性貨物分子的理想材料。吳惠英［38］發(fā)現(xiàn)絲素蛋白在常溫CaCl2-FA 溶解下制備的長絲紗比天然絲素復(fù)合得到的人工韌帶降解速度更快，同時具有較好的力學(xué)性能。ZHANG Xuan 等［39］將小鼠胚胎纖維細(xì)胞與不同溶解體系下制備的絲素蛋白膜一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)LiBr 溶解體系下的絲素蛋白膜具有優(yōu)良的生物相容性，為后續(xù)再生絲素蛋白纖維生物相容性的提高提供了基礎(chǔ)。BON S B 等［40］將鈣離子或硝酸鉀改性的再生絲（RS）和聚3-羥基丁酸-羥基戊酸酯（PHBV）通過3D 打印制備三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（內(nèi)層為PHBV，外層為改性RS 的圓柱體）。將3D 打印的圓柱體用作無縫合的熱響應(yīng)夾，插在豬小腸上，測量其破裂壓力。在破裂前可承受的壓力比機械縫合約提高140%，并發(fā)現(xiàn)這樣的三維網(wǎng)格具有自供電特性壓電力傳感器的特點。同時，β-折疊含量增加的三維網(wǎng)格在人體內(nèi)是穩(wěn)定的，通過改變網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的填充密度和圖案能改變力傳感器的壓電特性，為新型生命體征監(jiān)測在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用做了鋪墊。郝云霞［41］將絲素蛋白與聚乙二醇雙環(huán)氧丙烷醚（PEG-DE）混合制備絲素蛋白膜和絲素蛋白管狀支架，將兩種材料分別與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（EC）和人主動脈平滑細(xì)胞（SMC）一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)再生絲素蛋白膜對SMC、EC 細(xì)胞的各種功能因子表現(xiàn)出不同的抑制或促進(jìn)作用；管狀支架比蛋白膜更適于血管細(xì)胞的生長，對EC、SMC 的各功能因子的表達(dá)具有促進(jìn)作用，但由于體外試驗的局限性，無法確定體內(nèi)作用效果。

4 總結(jié)與展望

本研究立足于濕法紡絲，論述了從脫膠劑、凝固劑的選擇到拉伸倍數(shù)等參數(shù)對再生蠶絲力學(xué)性能的影響機理，及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。力學(xué)性能的提高主要依靠提高再生絲素分子的取向度和結(jié)晶度。相對于純絲素纖維，目前最佳條件下，再生蠶絲的斷裂強度和斷裂伸長率可分別提高113.11%、152.85%。蛋白質(zhì)分子質(zhì)量的大小一定程度上影響了其性能，可通過重復(fù)的短微波脫膠處理實現(xiàn)4 h 快速制備分子量無降解的再生蠶絲。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究發(fā)現(xiàn)一種能抑制癌細(xì)胞增長的生物模板新型材料，可制備能滿足活性物質(zhì)的運輸和緩慢釋放的不對稱微膠囊和能促進(jìn)血管細(xì)胞生長繁殖的再生絲素復(fù)合膜等。盡管大量研究表明再生絲素在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很大使用價值，但投入臨床使用還需要深入研究，而在力學(xué)性能方面的研究已經(jīng)較為成熟，特別是在添加金屬粒子改性方面。

再生蠶絲蛋白纖維性能的研究，一方面是增強本身的性能，另一方面則是賦予其他性能以擴寬應(yīng)用領(lǐng)域，滿足人們的使用要求。首要問題是選擇合適的溶劑實現(xiàn)絲素絲膠的高效分離，獲得高濃度絲素，其次是改性，提升再生蠶絲性能。目前，再生蠶絲力學(xué)性能提升的方法較單一、流程復(fù)雜、作用機理不明確、產(chǎn)量小等都限制了其廣泛應(yīng)用。而限制其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主要因素有：再生絲素在生物體內(nèi)的降解行為和降解機理及其降解產(chǎn)物的安全性不明確，如何精準(zhǔn)控制微納結(jié)構(gòu)的尺寸；如何調(diào)控再生蠶絲的降解速度用于修復(fù)不同組織；如何調(diào)控使得三維打印成型與細(xì)胞相容性平衡；如何調(diào)控使相應(yīng)血管細(xì)胞在正確位置上生長繁殖等。

相信隨著多學(xué)科的發(fā)展，以及學(xué)科的交叉融合，能推進(jìn)再生蠶絲蛋白纖維在臨床上的應(yīng)用以及轉(zhuǎn)化上市，開發(fā)出更多功能性和滿足個性化醫(yī)療的新型生物醫(yī)用材料，以擴寬蠶絲的應(yīng)用領(lǐng)域，提升其經(jīng)濟效益。