丝素蛋白化学改性及其应用的研究进展

王慈恩, 郭 庆, 崔志华, 陈维国, 张志强

(1.浙江理工大学 a.纺织科学与工程学院; b.“生态染整技术”教育部工程研究中心,杭州 310018;2.浙江厚源纺织股份有限公司,浙江 嘉兴 314511)

桑蚕丝是家蚕结茧时由丝腺所分泌的蛋白质液凝固而成的天然纤维,由两根横截面为类三角形的丝素蛋白纤维和将其包裹的丝胶蛋白两个主要部分及少数脂质构成[1]。丝素蛋白是构成蚕丝的主体部分,约占总重量的75%;包裹在丝素外层的丝胶约占蚕丝总重的25%,起黏合的作用[2]。丝素蛋白包含18种天然氨基酸,其中甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)和丝氨酸(Ser)占85%,丝氨酸、天冬氨酸(Asp)和酪氨酸(Tyr)等则占20%左右[3-4]。将生丝上的丝胶通过脱胶工艺去除干净后,留下的即是丝素蛋白纤维。丝素蛋白的二级结构主要有三种构象:α-螺旋、β-折叠和无规卷曲[5]。在一定条件下,三种构象能互相转化,改变丝素材料力学性能。

丝素蛋白是从蚕丝纤维中提取的天然高聚物,具有优秀的生物相容性和生物降解性,可以进一步加工成不同形态的材料,如纳米颗粒、薄膜、水凝胶和海绵等[6-9],以满足不同领域的需求。目前,丝素蛋白材料也从传统的纺织领域逐步向生物医药、化妆品等多个应用领域拓展。为满足不同领域的需要,研究人员基于丝素蛋白原有的优良性能,对其进行进一步化学改性处理。同时,丝素蛋白中各种氨基酸残基上的活性基团也为丝素蛋白的化学改性提供了化学反应的位点[10]。本文拟对丝素蛋白的化学改性方法,以及其在各个领域中的应用进行归纳总结。

1 丝素蛋白的化学改性

丝素蛋白的化学改性方法主要包括:氨基酸残基改性、丝素蛋白接枝改性和交联反应改性。

1.1 氨基酸残基改性

通过化学试剂对蛋白质氨基酸残基进行修饰,可以在丝素大分子侧链上引入或去除某些基团,其中部分丝素蛋白氨基酸侧基的改性反应如图1所示。Yasushi[11]用氯磺酸在丝素蛋白分子链上引入硫酸盐基团,硫酸化主要发生在酪氨酸和丝氨酸的残基上。Zheng等[12]利用NaClO的氧化作用在丝氨酸上引入羧基,诱导羟基磷灰石的矿化来提高骨组织再生速度,但是该方法对丝素结构破坏较大(图1(a))。为减少羧基化对丝素蛋白损伤,Heichel等[13]在离子液体/二甲基甲酰胺均质溶液中使用琥珀酸酐修饰丝蛋白,可在丝氨酸(Ser)残基上引入羧基(图1(b))。相比在水性溶剂中羧化,离子液体中羧化的丝素蛋白相对分子质量更高,水解明显减少。另外,也有研究者利用酪氨酸(Tyr)残基的酚羟基易发生亲电取代的特点,将重氮盐通过偶合取代反应偶合在氨基酸上,以产生偶氮苯衍生物的方式来引入功能性基团[14-15](图1(c))。

图1 丝素蛋白侧基的化学改性Fig.1 Chemical modification of silk fibroin on side groups

1.2 丝素蛋白大分子的接枝改性

丝素蛋白的接枝改性是将功能性化合物结合到丝素蛋白大分子链上的主要手段之一,接枝丝素蛋白的性质受接枝物的类型和接枝率影响。

乙烯基单体接枝丝素蛋白的研究工作很早就有开展。乙烯基类单体接枝蚕丝后,可以进一步发生自由基聚合反应,生成接枝聚合物的改性效果。Furuzono等[16]通过甲基丙烯酰氧基乙基异氰酸酯(MOI)对丝素蛋白的氨基、羟基和羧基进行修饰,随后在引发剂的作用下将2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱(MPC)接枝到修饰后的蚕丝上(图2),在增重的同时改善蚕丝的血液相容性,减少血小板的黏附。也有研究者通过酶的催化作用把多肽[17]、类固醇[18]、天然高分子聚合物[19]和其他功能性物质接枝到蚕丝上。唐耿铁等[20]利用酪氨酸酶氧化酪氨酸残基产生活化的多巴醌,提高接枝效率的作用,将壳聚糖接枝到丝纤维上。QI等[21]利用酪氨酸酶氧化儿茶素形成活性邻苯醌结构,和丝素分子链上的氨基发生反应,从而接枝到丝素蛋白上,还使用ε-PLL模拟儿茶素和丝素的共价结合,证实了酶对接枝反应的促进效果。

图2 MOI修饰的丝素蛋白与MPC的接枝反应Fig.2 Grafting reaction of MPC with MOI modified silk fibroin

1.3 丝素蛋白大分子的交联反应改性

化学交联是利用交联剂、酶或紫外线照射等方式,使大分子链之间以共价键相结合形成网状结构的的过程。交联反应可以在丝素蛋白分子链内部和分子链之间形成共价键而改变其结构特性,提高稳定性;也可以让丝素与其他高聚物形成共价键结合。

用于丝素蛋白修饰改性的合成交联剂有戊二醛、碳化二亚胺、氰尿酸氯及一些环氧化合物等[22-26]。戊二醛的两个醛基,可与蛋白质的胺基反应产生交联结构。碳化二亚胺可以在酸性条件下与氨基酸残基上的羧基反应,生成对-酰基异脲,之后会与氨基或羟基继续反应,得到稳定的酰胺和酯键[27]。环氧化合物则通过开环反应与蛋白质分子链上的氨基、羟基等发生共价键结合,起到交联作用[28]。

考虑到部分未反应的交联剂可能残留在丝素材料中而产生生物相容性问题,近年来使用天然交联剂的研究及应用呈现增长趋势。京尼平是报道较多的天然交联剂,是栀子苷被β-葡萄糖苷酶水解后产生的一种环烯醚萜类化合物。如图3所示,丝素蛋白分子链上的氨基会对京尼平C3原子发起亲核攻击,打开六元环形成仲胺和新的醛基,之后仲胺对新形成的醛基发生亲核攻击,形成含氮的六元环,同时京尼平上的羧基端也可以与氨基共价结合[29]。与戊二醛等合成交联剂相比,京尼平交联改性后的丝素材料有良好的机械性能,且细胞毒性显著降低[30-31]。

图3 京尼平与丝素蛋白分子的反应Fig.3 Reaction of fibroin molecule with Genipin

2 丝素蛋白化学改性的应用

2.1 纺织品领域

蚕丝织物有易生褶皱[32]、光致发黄老化等缺点[33],对前者可以采用乙烯基单体的接枝共聚改性、交联剂改性等方法来改善。已发表的乙烯基单体主要包括乙烯类、甲基丙烯酸酯类和甲基丙烯酰胺类三大类,接枝改性主要目的是改善蚕丝的防缩抗皱和耐磨性能[34]。多元羧酸/酸酐、环氧化合物等交联剂上的活性基团与羧基、羟基、氨基等共价结合,使丝素大分子链交联而改善蚕丝织物的抗皱性等[35]。

除了改善真丝织物本身和加工工艺的缺陷,许多研究者尝试通过化学改性赋予蚕丝特殊性能。某些化学整理剂能与丝素的氨基酸发生反应直接改变丝素特性,也能让其他难以牢固结合的功能性物质固着在丝素材料上而发挥作用。如Cheng等[44]合成了一种新型阻燃剂——戊二醛氨基磺酸铵磷酸二乙酯盐(GASDP),对蚕丝蛋白接枝处理后,使蚕丝织物有良好的耐洗性和耐久阻燃效果。Zhou等[45]用含有乙烯砜基团的紫外线吸收剂对姜黄素进行改性,并对蚕丝纤维进行染色,改善了真丝织物的抗菌(大肠杆菌的抗菌活性超过90%)和防紫外线性能(UPF=50.65)。

2.2 生物医药领域

丝素蛋白凭借其优秀的生物相容性、生物可降解性,已成为生物医药领域的热门研究材料。经过适当化学改性的丝素蛋白材料拥有更加出色的生物活性、药物传递能力、抗菌性能和机械性能。这些性能的优化让丝素蛋白材料在药物控制输送、组织再生与创面修复等方面表现出巨大潜力。

2.2.1 药物传递系统

药物传递系统需要将药物运输到致病部位并控制释放[46],同时尽可能减少副作用。目前有关丝素蛋白药物传递系统的研究主要致力于控制药物的输送时间。Chung团队分别通过壳聚糖和多巴胺对丝素进行改性[47-48]。丝素蛋白与多巴胺偶联制成的纳米颗粒具有明显抗氧化能力和长效释放姜黄素的能力,如持续释放时间可达14 d。而壳聚糖与丝素蛋白交联制得丝素/壳聚糖微粒,在搭载四环素的测试中可将释放时间从2 d延长至10 d。另外,改性丝素蛋白还可以提高治疗性蛋白质的热稳定性、治疗效果,降低免疫反应性和细胞毒性[49-50]。Yan等[51]将胰岛素和丝素纳米粒子通过戊二醛偶联,其体外测试表明,修饰后的胰岛素对胰蛋白酶消化的抗性和体外稳定性得到有效提高,体外半衰期约为天然胰岛素的2.5倍。

2.2.2 组织工程

在组织工程方面,丝素蛋白可以制成纤维、薄膜、水凝胶和多孔支架等多种形态材料,以满足不同的身体部位需求,是一种理想的生物材料。大量研究报告显示,化学改性可让丝素蛋白材料拥有更好的细胞黏附、增殖和分化的能力[52-53],促进组织再生和伤口愈合。表1总结了化学改性的丝素蛋白材料在不同人体组织工程中应用的研究情况。

表1 改性丝素蛋白材料在各类组织中的应用效果Tab.1 Application effect of modified silk fibroin in various tissues

2.2.3 创面修复

氨基酸残基的氢键作用,以及丝素与底物形成的β-折叠结构[62-63]使得丝素蛋白材料拥有一定的黏合能力。因此在创面修复方面,除了常规的薄膜形态,丝素蛋白也可用作液态的伤口黏合剂。其在手术过程中可应对各种形态的伤口,起到快速止血作用,有广阔的应用前景。为提高黏合强度和速度,Kim等[64]用甲基丙烯酸缩水甘油酯将丝素蛋白溶液改性,改性后的丝素蛋白溶液在2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯的存在下,暴露于紫外光下(波长365 nm)10～30 s即可发生交联,快速凝胶化以保护伤口。在之后的动脉离体爆破压力测试中发现,丝素黏合剂的连接强度是普通尼龙缝合线的1.5倍;大鼠体内测试发现,该黏合剂不会在体内诱导慢性炎症反应。

2.3 环境科学领域

丝素蛋白材料在环境科学中的应用研究主要集中于对水中杂质的吸附、分离与催化。张凯等[65]合成了3,5-二[(2-羟基-4’-乙基磺酰硫酸钠)偶氮苯-次甲亚胺基]苯甲酸及其Mn2+、Cu2+、Co2+的金属配合物,对丝素膜进行改性。各种金属配合物的改性丝素膜对过氧化氢均有催化分解的能力,其中Mn2Z1的催化效果最佳。

油水分离方面,可以引入疏水链,改变丝素材料的亲水性。Shome等[66]通过丝素蛋白的氨基与丙烯酸酯发生共轭加成反应,然后用烷基胺对丙烯酸酯基团进行改性,制得丝素海绵材料。十八烷基胺(ODA)改性的丝素海绵在酸/碱性水、河水、含表面活性剂的水和海水中都保持高疏水吸油能力,在油/水混合物中选择性地收集油相,分离效率保持在95%以上。

化学改性产生的丝素蛋白材料结构变化也会对吸附能力产生影响。Xie[67]等用苯乙醇交联丝素制得丝素纳米纤维气凝胶,具有疏水性,对大豆油、鳄梨油和玉米油的油水分离性能达到90%以上,并发现孔隙和β-折叠结构的增加是疏水吸油效果提升的主要原因。

3 结 论

在保持其自身优良特性的基础上,通过对丝素蛋白材料进行氨基酸残基改性、蛋白质大分子的接枝改性和交联改性等加工,可以改变丝素材料的某些重要特性,例如亲水性、二级结构、材料形貌、生物活性和机械性能,从而满足丝素材料各种应用及功能化的要求。在众多的蚕丝素蛋白化学改性研究和应用领域,尤其是真丝织物产品和生物医药方面,已经取得了丰硕的成果,为相关领域的进一步发展奠定了良好的基础,也显示出丝素蛋白材料的化学改性具有非常大的潜力和应用前景。然而,目前的改性手段仍存在不少需克服和进一步完善的问题,如需要温和的改性条件和能精确调控改性程度等方面,这将是今后相关领域的研究方向。

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