丝素蛋白在生物医用材料中的应用

青岛大学纺织服装学院，山东 青岛 266000

丝素蛋白(SF)是一种主要从蚕茧中提取的蛋白质聚合物，其生产成本低，目前已作为一种生物医用材料使用，广受欢迎。利用不同的蚕茧(家蚕茧、野蚕茧等)，可以收集不同组成、结构和性质的丝素蛋白[1-2]。与其他生物医用材料(如胶原蛋白、聚乳酸等)相比，丝素蛋白生物医用材料更有利于细胞的生长。丝素蛋白以反平行折叠链构象(β-折叠结构)为基础，形成直径约10 nm的微纤维，无数微纤维密切结合组成细纤维，细纤维再构成蚕丝蛋白纤维。近几年来，蚕丝蛋白纤维因具备独特的力学性能、多样的加工性、良好的生物相容性和缓慢的生物降解性[3]，成为生物医用领域的理想材料。蚕丝蛋白纤维在纺织工业中应用历史悠久，目前正不断向其他领域延伸，其被溶解于不同的溶解体系如溴化锂/乙醇、氯化钙/甲酸[4]、甲酸/羟基磷灰石[5]、离子液体[6]等。再生单一结构/多级丝素蛋白纤维的自组装是至关重要的，这决定了再生丝素蛋白纤维的物理和化学特性[7-8]。丝素蛋白纤维可用于缝合伤口[9]、药物递送[10]、血管组织再生[11]、皮肤伤口敷料和骨组织支架[12]等。丝素蛋白纤维的可加工性良好，可加工成不同形态，如颗粒状、纤维状、薄膜状，以及三维(3D)多孔支架等。从蚕茧中提取的丝素蛋白也可用于制造水凝胶、海绵、微球体、薄膜等生物医用材料。

1 蚕丝蛋白纤维的组成与结构

1.1 组成

蚕丝蛋白纤维主要含两种蛋白质：丝素蛋白(质量分数约占75%)和丝胶蛋白(质量分数约占25%)[13-14]。丝胶蛋白包裹在丝素蛋白的周围，前者通常可溶，可以通过热化学处理去除(也称为脱胶)[15-16]。丝素蛋白是半结晶聚合物，主要由β-折叠晶体和非晶体(微孔隙和无定形结构)组成；丝胶蛋白为无定形结构，起黏合作用，可保持蚕丝蛋白纤维整体的完整性[17]。

1.2 结构

蚕丝蛋白纤维主要有柞蚕丝和桑蚕丝两种，它们的横截面分别如图1(a)、(b)所示，可以看出，柞蚕丝横截面上有很多气孔，截面形状与桑蚕丝相比更加扁平[18]。柞蚕丝中所含的丝胶蛋白较多，因此手感较粗糙、光泽较暗淡、刚性较强。

(a) 柞蚕丝

(b) 桑蚕丝

2 蚕茧脱胶与丝素蛋白溶液制备

2.1 蚕茧脱胶

脱胶是对蚕茧进行热化学处理，去除丝胶蛋白的过程。丝胶蛋白的结构和降解性会影响脱胶程度。利用不同试剂(如蒸馏水、硼酸钠缓冲液、碳酸钠、尿素、琥珀酸)进行脱胶处理，对丝素蛋白纤维的形貌有影响[19-20]。

2.2 丝素蛋白溶液制备

丝素蛋白含有约 45%的甘氨酸和 34%的丙氨酸，而这两种氨基酸的 R 基团的末端为―H 或―CH3，其疏水性很大，因而丝素蛋白很难溶于水。因此，必须先将丝素蛋白溶解在盐溶液(如溴化锂溶液或离子液体)中，经磁力搅拌器搅拌，获得丝素蛋白溶液，这样才有可能成膜或形成再生丝素蛋白纤维[21]。

3 单一结构和多级结构的丝素蛋白基生物医用材料现状

3.1 单一结构

3.1.1 颗粒结构

可以用几种方法制备颗粒结构的丝素蛋白基生物医用材料。自组装技术已广泛用于制备微米级和纳米级丝素蛋白颗粒。通过盐析使丝素蛋白溶液发生相分离，其过程相对简单。LAMMEL等[22]使用磷酸钾获得了SF颗粒，其尺寸在500 nm～2 μm且可控，同时发现丝素蛋白颗粒的二级结构和Zeta电位受磷酸钾溶液pH值的影响。ZENG等[23]发现丝素蛋白的相对分子质量分布范围较窄时，所形成的丝素蛋白微球体表面更平滑、更均匀。研磨丝素蛋白是制造丝素蛋白颗粒的物理方法[24]。

3.1.2 膜结构

通常，通过浇铸丝素蛋白溶液制备丝素蛋白膜。MINOURA等[25]用甲醇处理得到的丝素蛋白膜显示出高透气性及良好的力学性能。其他已报道的技术包括旋涂[26]、垂直沉积[27]和旋转辅助逐层组装[28]等。将丝素蛋白溶液浇铸在光滑干净的板上，经自然蒸发或在一定温度下干燥后，就能获得丝素蛋白膜。

3.1.3 3D结构

3D结构的丝素蛋白基生物医用材料通常以水凝胶和海绵材料的形式存在。水凝胶具有高含水量的互联网络结构。超声波、涡旋、加热、溶剂、光交联等，都可以诱导丝素蛋白溶液发生凝胶现象。凝胶化过程的速率受处理温度、丝素蛋白溶液pH值、丝素蛋白溶液浓度等因素的控制。在凝胶过程中，丝素蛋白的二次结构发生变化，从无规卷曲状态转变成β-折叠构象。LUO等[29]通过简单的混合和加热处理，制备了具有良好连续性能的丝素蛋白/羟丙基甲基纤维素(HPMC)水凝胶。

3.2 多级结构

由于丝素蛋白具有优异的可加工性，可以制造各种形式的丝素蛋白基生物医用材料。图2所示为丝素蛋白溶液制备过程，以及单一结构和多级结构的丝素蛋白基生物医用材料的形成路径。

图2 丝素蛋白溶液制备过程及单一结构和多级结构的丝素蛋白基生物医用材料的形成路径[30-31]

4 丝素蛋白纤维溶解方法

利用酸或铜铵盐溶解丝素蛋白，会导致丝素蛋白分子严重降解[32]。在低温条件下，CAMILLE等[33]尝试使用不同浓度的硫酸和磷酸溶解丝素蛋白。曹惠等[34]利用溴化锂/乙醇二元溶剂溶解丝素蛋白，得到了可纺性良好的丝素蛋白溶液, 并通过湿法纺丝得到了较均匀的初生纤维。

4.1 过去的溶解法

一般选用脱胶后的丝素蛋白纤维，在LiBr/C2H5OH/H2O溶剂中溶解，制成丝素蛋白溶液，透析后干燥成膜，再次溶解后纺丝。

4.2 目前的溶解法

将丝素蛋白纤维溶解于盐/酸二元溶解体系中，获得丝素蛋白溶液。扫描电子显微镜(SEM)提供了一种途径比较利用不同的盐/酸溶液制备的再生丝素蛋白纤维的形态，如图3所示，其中：(a)为溴化锂/甲酸溶液制备的再生丝素蛋白纤维，其上有裂纹，表面不光滑；(b)为氯化钙/甲酸溶液制备的再生丝素蛋白纤维，其表面光滑。

(a) 溴化锂/甲酸

(b) 氯化钙/甲酸

盐在水中产生离子并增加水分子的极性，这破坏了丝素蛋白分子间的作用力，导致丝素蛋白纤维膨胀。乙醇可以进入丝素蛋白纤维分子的结晶区，并使得丝素蛋白纤维更亲水。不同的离子对丝素蛋白纤维分子中的肽键有不同的作用。例如，钙盐溶剂中的钙离子(Ca2+)可以形成水合钙，它与丝素蛋白中丝氨酸和酪氨酸的侧链上的羟基形成稳定的络合物，同时去除多肽链之间的氢键和范德华力。丝素蛋白的溶解特征归因于各种溶剂的差异。不同的溶剂产生不同的水解丝素蛋白分子链，并导致生成不同的R基。

5 丝素蛋白纤维纺丝方法

5.1 湿法纺丝

湿法纺丝工艺的特点是简单，效率高，成本低，可操作性强，环境兼容性大。由于溶解过程中溶剂对丝素蛋白结构造成破坏，丝素蛋白纤维通常比较脆弱，这阻碍了它在结构材料中的应用。目前，大量的工作致力于提高丝素蛋白纤维的力学性能和功能性[35]。可以将丝素蛋白溶液通过压力泵挤入喷丝头，然后经湿法纺丝工艺纺得再生丝素蛋白纤维。初生纤维在缠绕于卷绕装置的过程中被逐步拉伸。

5.2 静电纺丝法

静电纺丝是一种广泛使用的纤维成型技术，通过使用高压电场可以生产直径范围从几纳米到几微米的聚合物纤维[36]。单一纳米纤维和复合纳米纤维具有不同的形态，可通过静电纺丝法获得一维(1D)到三维(3D)的组装体。重要的是，这些具有高表面积/体积比、孔隙率可调节和易表面功能化的纳米纤维，为其应用提供了许多可能性，特别是在生物医学领域，如抗菌垫、快速止血贴剂、伤口敷料、药物输送系统及组织工程等。

ZARKOOB等[37]报道了以HFIP为溶剂、静电纺丝技术制备的再生丝素蛋白纤维。杭怡春等[38]研究了再生丝素/丝胶共混纺丝，并探讨了其在生物医用材料方面的应用前景。调整设备结构可生产不同结构的静电纺丝纤维，如图4所示。

(a) 多孔

(b) 空心

(c) 纳米线

(d) 三维支架

6 结论

蛋白作为一种天然生物聚合物，已被证明是一种令人惊叹的生物医用材料。丝素蛋白作为一种“绿色”材料正在被开发，这是对生物相容性或可持续性至关重要的先进生物应用。近年来，丝素蛋白应用迅速发展，其可以作为激活药物传输的载体、食品的涂层/传感器、高性能水过滤器等。特别是，丝素蛋白在生物医用领域受到重视，可用于缝合伤口、药物递送、血管组织再生、皮肤伤口敷料和骨组织支架等。目前，丝素蛋白已经成功应用于神经、皮肤、骨骼、血管、肌腱、韧带和角膜组织，在生物医用材料方面有极大的发展潜力。