静电纺丝素蛋白支架材料的研究进展

2021-12-02周宇航

纺织报告 2021年7期

周宇航

（1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215123；2.现代丝绸国家工程实验室，江苏苏州 215123）

1 丝素蛋白的结构和性能

1.1 组成、结构与制备

根据食物不同的来源，蚕丝大致可以分为桑蚕丝和非桑蚕丝。尽管来源不同，蚕丝纤维大多都是由与某些大分子相关的蛋白质构成，例如脂类和多糖。蚕丝主要由丝素和丝胶两种蛋白质组成，蚕茧里面有25%~30%是丝胶，丝胶的亲水性高于丝素蛋白，可以溶于热水，也可以通过脱胶过程与丝素蛋白分离。将蚕茧放入碱性溶液中，可以通过水煮进行丝素蛋白的提纯。

丝素蛋白占蚕丝的70%~80%，由18种氨基酸组成[1]。丝素蛋白大分子中存在结晶区和非结晶区，结晶结构主要分为两类：Silk I和Silk II结构。Silk I结构是介于α-螺旋与β-折叠的一种水溶性状态；Silk II是具有反平行的β-折叠结构，与Silk I相比，分子排列更整齐，稳定性更好。

丝素蛋白的二级结构主要分为无规卷曲结构、α-螺旋结构和β-折叠结构。无规卷曲和α-螺旋结构是水溶性的，结构稳定性较差，可在外界条件的作用下转换成不同的二级结构，而β-折叠结构的稳定性较好。丝素蛋白的3种结构在某些外在条件下可以相互转变，例如浓度、温度、pH[2]、剪切力或拉伸应力、金属离子和有机溶剂等。

1.2 生物特性

丝素蛋白结构独特，具有优异的生物相容性、可控的生物降解性、良好的力学性能、低免疫原性、结构完整性、适合用于水或有机溶剂加工，可进行化学修饰，其优良的生物学性能使其在生物医学方面有着广阔的前景和较高的使用价值。

1.2.1 优异的生物相容性

作为一种历史悠久的天然高分子材料，丝素蛋白在外科缝合线方面的成功应用证实了其优异的生物相容性。

1.2.2 可调节的生物降解性

生物降解性是生物医用材料的一个重要指标，某学者将生物降解定义为：可植入聚合物材料通过生物元素的降解性，其降解的碎片可通过流体转移离开植入部位，但不一定在体内移动。丝素蛋白不仅是可生物降解的，而且是可生物吸收的，其降解的产物主要为氨基酸，不会通过代谢途径吸收后产生毒性。

1.2.3 良好的力学性能

蚕丝良好的力学性能吸引了大量研究者的注意，其断裂强力、弹性模量和伸长率之间的平衡使其具有很好的韧性。因此，蚕丝的特性为开发一系列产品提供了巨大的优势，但是蚕丝一旦经过水处理，大多会变得脆弱。例如天然蚕丝的拉伸强度为0.50~0.60 GPa，断裂伸长率为10%~40%。但是，丝素蛋白膜的干拉伸强度仅为0.02 GPa，断裂伸长率小于2%。这是由于丝素蛋白再生材料的二级结构发生了变化，调整其二级结构，可有效增强丝素蛋白再生材料的力学特性，甚至接近天然蚕丝。

1.2.4 可加工性

由于丝素蛋白的α-螺旋和无规卷曲两种二级结构，导致其可溶于水。在室温下，在中性的pH以及低剪切力等温和的条件下，采用某些方法可以制得丝素蛋白基材料，该材料可搭载生物活性药物，可控制药物的释放速率，利于细胞的粘附和生长。丝素蛋白在再生的过程中，可以通过各种后处理方法（如水蒸气处理、乙醇处理等）获得不同的二级结构。随着结构之间的相互转化，丝素蛋白可表现出更好的结构完整性和抗水解性能，β-折叠结构赋予其结构稳定性，可获得更好的生物材料性能。

2 静电纺丝素蛋白支架材料的制备与性能

静电纺丝技术是一种制备微纳米级纤维的方法，比起其他制备技术，静电纺丝有着突出的优势，比如其操作简单、成本低、设备容易组装，可适用于大多数高分子有机聚合物。运用静电纺丝技术制备的微纳米级纤维膜具有合适的孔径、较大的比表面积、均匀的纤维直径以及相互交错贯通的纤维网络结构等优点，引起了研究人员的广泛关注。目前，大量天然聚合物、合成聚合物已经被用来配制纺丝液进行静电纺丝生产微纳米级纤维。其中，天然聚合物也被大量用于静电纺丝来生成微纳米级纤维，例如胶原蛋白、壳聚糖[3]、甲壳素[4]、海藻酸盐[5]、丝素蛋白等。

组织工程支架应该最大限度地模拟细胞外基质（ECM）的组织结构和生物学性能，通过静电纺丝制备的微纳米级纤维支架，具有相互连接贯通的孔隙和极大的比表面积，类似于ECM的形貌特征，有利于细胞的粘附和生长。丝素蛋白是由蚕丝脱胶处理后得到的天然蛋白质，由乙氨酸、丙氨酸、丝氨酸等20多种氨基酸构成，其优异的生物相容性、可调节的生物降解性、无细胞毒性、良好的力学性能以及可加工性，可大量应用于组织工程支架的领域。静电纺丝素蛋白纤维兼具了丝素蛋白和静电纺丝的优点，成为近年来组织工程支架的重点研究对象。

3 静电纺丝素蛋白支架材料的应用研究现状

3.1 血管组织工程支架

一般的人工血管主要分为机织人工血管、针织人工血管、非织造人工血管、组织工程人工血管等，其性能要求具有抗血栓能力、适当的孔隙率和优异的生物相容性，但常规的血管材料生物相容性较差，容易形成血栓。运用静电纺丝法制备的微纳米级纤维结构，可模拟原生细胞外基质作为小口径血管组织工程支架。某学者通过静电纺丝技术制备具有一定力学性能的丝素蛋白组织工程支架，模拟原生血管结构，并在支架上培养内皮细胞（HAECs）和平滑肌细胞（HCASMCs）。实验结果证明，细胞在支架上的生长状态良好。

3.2 骨组织工程支架

骨组织工程支架材料需要满足移植到人体后能与成骨细胞结合，并且具有良好的生物可降解性。与其他方法相比，运用静电纺丝法制备的骨组织工程支架的比表面积大、孔隙率较高，有利于骨细胞的生长。某学者使用静电纺丝技术制备了平均直径为（700±50）nm的丝素蛋白纳米纤维支架，将人类骨髓基质细胞（BMSCs）种植在支架上，观察细胞的生长情况。SEM和MTT的结果表明，丝素蛋白纳米纤维支架支持人类骨髓基质细胞的粘附和增殖。

3.3 神经组织工程支架

神经组织工程是神经损伤修复领域的有效方法之一，神经组织工程支架的关键在于其力学性能和生物性能。在静电纺丝技术中，通过改变高聚物纺丝液的配比参数以及纺丝参数来调控支架的力学和生物学性能。某学者分析了静电纺丝纳米纤维的取向度和直径对神经干细胞（NSC）的形态和生长的影响，结果表明，细胞会沿着纤维的方向拉伸和生长，生长状态良好。

3.4 医用敷料

由于天然细胞外基质来源有限，以天然细胞外基质为基础添加人工合成材料制备仿生细胞外基质支架成为研究热点，不仅保留了天然细胞外基质的结构和功能，还提高了力学性能，来源广泛、制备简单。某学者将静电纺明胶/PLGA纤维分散、加工成短纤维，作为增强材料加入3D打印软骨脱细胞基质支架中，结果发现，支架具有良好的力学性能和生物相容性，并且可以促进兔软骨的缺损修复。某学者制备了一种可注射的胶原-糖胺聚糖（GAG）基质，该基质中含有聚乙烯醇（PVA）-硼酸盐网络。通过比较可以得出，聚乙烯醇（PVA）-硼酸盐网络的加入可以改善支架的结构和力学性能，抑制细胞的增殖，但不影响细胞活力，说明该胶原-糖胺聚糖（GAG）基质作为组织工程或者细胞移植的可注射材料具有很大的潜力。