靜電紡動物蛋白納米纖維研究進(jìn)展

呂婷婷， 安 瑛， 李好義， 劉宇健， 焦志偉

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 北京 100029)

天然動物蛋白纖維中主要的蛋白質(zhì)來源包括動物毛、蠶絲、雞蛋等[1]，是最早加以利用的纖維，現(xiàn)在已經(jīng)是紡織業(yè)的原料之一。蛋白纖維雖然性能優(yōu)異，但每年的產(chǎn)量非常有限，蛋白質(zhì)資源的再生利用已經(jīng)成為研究熱門[2]。動物蛋白分子鏈通過氫鍵與共價(jià)鍵連接在一起，高度有序的結(jié)構(gòu)使得動物蛋白表現(xiàn)出較高的力學(xué)強(qiáng)度[3]。此外蛋白質(zhì)具有優(yōu)異的生物可降解性、高滲透性以及良好的生物相容性等優(yōu)勢[4]。

靜電紡動物蛋白納米纖維是從天然動物中提煉出來的蛋白質(zhì)溶液[5]，經(jīng)溶液靜電紡絲制成的超細(xì)纖維。與其他納米纖維制造技術(shù)(如自組裝、模板合成、相分離)相比具有下列優(yōu)勢：1)設(shè)備簡單；2)可制備連續(xù)納米纖維，可控制纖維尺寸、表面、取向以及孔隙率等；3)制備出來的纖維膜具有相對較高的比表面積與體積比；4)在靜電紡絲過程中可同時(shí)進(jìn)行纖維的功能改性等[6]。通過靜電紡絲制備的動物蛋白納米纖維具有比孔隙率高、表面積大、生物相容性高等優(yōu)點(diǎn)，在生物及基因工程、高效過濾、電池組件等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。利用靜電紡絲技術(shù)制備蛋白納米纖維已成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

本文對國內(nèi)外近期靜電紡動物蛋白纖維的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，總結(jié)了4種靜電紡動物蛋白的溶劑選擇方式及其優(yōu)劣；討論了靜電紡動物蛋白纖維的改性方法和應(yīng)用領(lǐng)域，以期對未來動物蛋白納米纖維的發(fā)展提供一定指導(dǎo)。

1 靜電紡絲制備動物蛋白納米纖維

靜電紡絲技術(shù)是在高壓靜電場力的牽引作用下，拉伸聚合物形成射流制備納米級纖維的方法，一般制備的纖維直徑在幾十納米到幾微米之間。靜電紡絲裝置主要由高壓靜電發(fā)生器、供料裝置、噴射裝置、接收裝置組成[7]，其裝置示意圖[8]如圖1所示。

圖1 靜電紡絲裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrospinning device

動物蛋白質(zhì)的來源非常廣泛，且具有優(yōu)異的生物相容性，可應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。通過靜電紡絲法制備蛋白納米纖維膜具有操作簡單、纖維直徑小、膜比表面積高等優(yōu)點(diǎn)。但由于進(jìn)行靜電紡的蛋白質(zhì)溶液的分子量較小，單一的動物蛋白質(zhì)作為靜電紡原料得到的納米纖維膜力學(xué)性能不夠優(yōu)良；另外在靜電紡絲過程中會使用大量的有機(jī)溶劑，易引起蛋白質(zhì)的變性，且一般具有毒性。這些缺點(diǎn)極大地限制了蛋白納米纖維膜的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.1 動物蛋白靜電紡絲中溶劑的選擇

在溶液靜電紡絲過程中，首先要求溶質(zhì)可在溶劑中溶解；其次，由于溶質(zhì)需在溶劑揮發(fā)后固化成纖，要求所使用的溶劑具有良好的揮發(fā)性、低蒸汽壓力、合適的沸點(diǎn)等[9]。溶劑種類對紡絲過程有著重要的影響，目前使用較多的有乙醇、氯仿、二氯甲烷等[10]。一般有機(jī)溶劑具有毒性，殘留的有機(jī)溶劑對蛋白纖維膜在生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用有一定負(fù)面影響，因此，在蛋白靜電紡絲過程中，選取合適的溶劑具有重要的意義。

1.1.1 無毒環(huán)境友好型溶劑

膠原蛋白在生物相容性、生物活性、生物可降解性方面表現(xiàn)非常好[11]，其生物活性是建立在內(nèi)部三螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上[12]。近年來，膠原蛋白靜電紡纖維在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用越來越多。在膠原蛋白纖維的制備過程中，通常選取六氟異丙醇(HFIP)作為溶劑[13]。HFIP可溶解大部分聚合物，是一種理想的有機(jī)溶劑[14]，但HFIP與蛋白質(zhì)相結(jié)合會引起蛋白質(zhì)的變性[15]，且HFIP具有強(qiáng)烈的毒性，會對人體造成傷害。為解決這些問題，Chakrapani等[16]采用無毒性對環(huán)境友好的醋酸為溶劑，對膠原蛋白進(jìn)行靜電紡絲，制備出直徑為100～200 nm、最佳孔隙率為60%的納米纖維；Ting等[17]對天然膠原蛋白與以醋酸為溶劑紡制的膠原蛋白纖維進(jìn)行了光譜測試認(rèn)為，雖然醋酸無毒性，對環(huán)境友好，但醋酸/膠原蛋白溶液體系會造成膠原蛋白中70%的三螺旋結(jié)構(gòu)破壞，極大地影響了蛋白質(zhì)的生物活性。

1.1.2 離子液

為解決蛋白質(zhì)活性被破壞的問題，一些研究者嘗試使用離子液代替有機(jī)溶劑。離子液具有良好的溶解性[18]。Hu等[19]采用離子液體1-乙基-3甲基咪唑乙酸鹽([EMIM][Ac])作為溶劑，建立了一種新的蛋白溶液體系。在此溶液體系中，引入了一系列鈉鹽，使蛋白的溶解度有了顯著提高，在45 ℃溫度下，體系中蛋白的溶解度可達(dá)到11%，且在35 ℃溫度下，膠原蛋白95%的三螺旋結(jié)構(gòu)沒有被破壞。使用離子液代替有機(jī)溶劑雖然可以保護(hù)蛋白質(zhì)的活性，但離子液價(jià)格昂貴，生產(chǎn)成本較高。

1.1.3 同軸靜電紡隔離有機(jī)溶劑

一些研究人員嘗試使用核-殼溶液同軸靜電紡絲的方法以保護(hù)蛋白質(zhì)不受有機(jī)溶劑的影響。同軸靜電紡絲技術(shù)是將核溶液與殼溶液分別裝在不同的注射器中，處于高壓電場的牽引拉伸作用下，外層液體流出后與內(nèi)層液體結(jié)合，由于內(nèi)外層液體結(jié)合時(shí)間較短，在溶液固化之前，內(nèi)外層液體不會混合在一起[20]，其示意圖[21]如圖2所示。Sandeep等[22]將蛋白質(zhì)水溶液作為核溶液，三氯甲烷和二甲基甲酰胺溶液(體積比為4∶1)作為殼溶液，進(jìn)行同軸靜電紡絲，并與將蛋白質(zhì)直接溶解到三氯甲烷與二甲基甲酰胺溶液中進(jìn)行靜電紡絲相對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同軸靜電紡絲所得纖維中蛋白活性保留為82%，直接將蛋白質(zhì)溶解在有機(jī)溶劑中所制得的纖維的蛋白活性保留為36%。蛋白可通過同軸靜電紡絲的方法進(jìn)行紡絲，且可保護(hù)其免受有機(jī)溶劑的不利影響。

圖2 同軸靜電紡絲裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of coaxial electrospinning

1.1.4 水溶性聚合物

近年來，一些水溶性聚合物，例如聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等，以水為溶劑來溶解聚合物。Xi等[23]將可溶性蛋殼膜(SEP) 蛋白與PEO混合進(jìn)行靜電紡絲，由于單獨(dú)的SEP溶液分子量低，溶液黏度低，難以進(jìn)行靜電紡絲，PEO與SEP混合可提高溶液黏度。Feng等[24]成功制備了SEP/PEO纖維，纖維直徑在0.3～20 μm 之間，且紡絲溶液中未使用有毒溶劑。以水溶性聚合物代替有機(jī)溶劑進(jìn)行蛋白靜電紡絲，有效阻止了蛋白的變性，無有毒溶劑殘留，更加有利于蛋白納米纖維在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。表1示出幾種溶劑選擇方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 靜電紡絲溶劑選擇的優(yōu)劣對比Tab.1 Comparison of solvent selection in electrospinning

1.2 靜電紡動物蛋白交聯(lián)改性

通過靜電紡絲制備純蛋白纖維，由于蛋白質(zhì)的溶解度不足，會對材料的可紡性造成很大影響，并且制得的納米纖維膜力學(xué)強(qiáng)度較差。交聯(lián)是聚合物改性的常用方法，交聯(lián)改性可顯著改善聚合物的力學(xué)性能[25]，因此，一些研究者對蛋白交聯(lián)改性后進(jìn)行靜電紡絲，期望提高蛋白纖維的力學(xué)性能。

Choi等[26]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的乙二醛溶液作為交聯(lián)劑加入到毛發(fā)角蛋白/聚乙烯醇(PVA)的共混溶液中，成功制備了蛋白納米纖維膜，并對交聯(lián)改性前后纖維膜的力學(xué)性能進(jìn)行對比。結(jié)果表明：未經(jīng)交聯(lián)改性的纖維膜拉伸強(qiáng)度為10.7 MPa，交聯(lián)改性處理的纖維膜拉伸強(qiáng)度為19.0 MPa。可以看出，交聯(lián)改性后制備的蛋白納米纖維膜的力學(xué)性能顯著提高。

1.3 靜電紡動物蛋白共混改性

單一蛋白質(zhì)組分溶液靜電紡絲制備納米纖維膜時(shí)，由于蛋白溶液相對分子質(zhì)量較小，其可紡性較低且制備的纖維膜的力學(xué)性能較差。將蛋白質(zhì)與高分子聚合物共混后進(jìn)行靜電紡絲，可顯著改善納米纖維膜的力學(xué)性能[27]。Lin等[28]將膠原蛋白與聚乙烯醇(PVA)共混后通過靜電紡絲制備納米纖維膜，研究結(jié)果表明，PVA的加入顯著提高了納米纖維的彈性模量、斷裂應(yīng)變、極限拉伸強(qiáng)度。李帥[29]對羊毛角蛋白/PVA共混納米纖維膜的力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，羊毛角蛋白與PVA 的質(zhì)量比為1∶9時(shí)的斷裂強(qiáng)度約為4∶6時(shí)的7倍，隨著PVA含量的增加，共混纖維膜的力學(xué)性能隨之增加。

2 在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 膠原蛋白納米纖維的應(yīng)用

膠原是細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分[30]，膠原蛋白是哺乳動物體內(nèi)含量最多的蛋白質(zhì)[31]，其具有良好的生物相容性、可降解性以及無免疫原性[32]，在生物工程以及醫(yī)療方面展現(xiàn)了重要的潛在價(jià)值。膠原蛋白類型較多，常見的包括Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅺ型膠原蛋白，其中Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型主要見于動物。用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域研究的動物膠原蛋白主要來源[33]如表2所示。

表2 動物膠原蛋白主要來源Tab.2 Major sources of animal collagen

膠原蛋白納米纖維在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括傷口愈合[34-36]、組織工程[37-38]、神經(jīng)再生[39]、藥物傳遞[40]等方面。

2.1.1 促進(jìn)傷口愈合

膠原蛋白本身來自于細(xì)胞基質(zhì)，因此，被認(rèn)為是有利于幫助傷口愈合的蛋白質(zhì)[41]。近年來，一些研究者嘗試將膠原蛋白納米纖維應(yīng)用于傷口愈合，并取得了一些進(jìn)展。Venugopal等[35]將膠原蛋白與可生物降解的聚己內(nèi)酯(PCL)共混后，通過靜電紡絲制備納米纖維膜，具有高度多孔性的膠原蛋白/PCL納米纖維膜適于細(xì)胞的附著、生長、增殖，并形成真皮替代物來幫助傷口愈合。蔡旺[36]利用藍(lán)鯊Ⅱ型膠原蛋白與殼聚糖為主要原料，使用低毒性的乙酸水溶劑體系，在溶液質(zhì)量濃度為0.07 g/mL時(shí)成功紡制了復(fù)合納米纖維，應(yīng)用于傷口敷料，可促使創(chuàng)面愈合。

2.1.2 組織工程

膠原蛋白廣泛存在于人體內(nèi)，膠原是人體組織再生的重要蛋白聚合物[42]，因此，膠原蛋白納米纖維在組織支架制備領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[43]。Mukherjee等[38]依據(jù)生物心室組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以(594±56) nm的納米纖維為模板，制備了聚乳酸、共聚己內(nèi)酯/膠原蛋白支架材料，并與純?nèi)斯ず铣傻木廴樗帷⒐簿奂簝?nèi)酯支架進(jìn)行對比。結(jié)果表明，聚乳酸、共聚己內(nèi)酯/膠原蛋白支架更有利于心肌細(xì)胞的附著和生長，聚乳酸、共聚己內(nèi)酯/膠原蛋白支架更加接近天然心臟組織。Yu等[39]采用靜電紡絲法制備了膠原/PCL納米纖維，并探究了其在鼠體內(nèi)作為神經(jīng)再生引導(dǎo)底物的應(yīng)用情況。研究結(jié)果表明，膠原/PCL纖維由于具有柔韌、親水的特性，更有利于促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的黏附、生長和增殖。

2.1.3 藥物傳遞

研究人員發(fā)現(xiàn)膠原蛋白添加量為26.7%的玉米醇溶蛋白(Zein)/鼠尾I型膠原納米纖維膜，成功模擬了天然細(xì)胞外基質(zhì)，比表面積是Zein平板膜的9～10倍，為細(xì)胞提供了更大的生存空間，將復(fù)合纖維膜用于藥物傳遞，隨著纖維膜的生物降解可達(dá)到非常好的藥物緩釋效果，避免了藥物突釋的現(xiàn)象[40]。

2.2 絲素蛋白納米纖維的應(yīng)用

絲素蛋白是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，憑借其優(yōu)良的力學(xué)性能與生物相容性，在生物醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2.2.1 絲素蛋白在面膜制品中的應(yīng)用

絲素蛋白的成分與人的面部肌膚成分相似，絲素蛋白應(yīng)用于面膜中可有效補(bǔ)充面部肌膚缺失的營養(yǎng)成分。高寧蕭等[44]將絲素蛋白、膠原蛋白肽、聚乙烯吡咯烷酮溶解于甲酸溶液中進(jìn)行靜電紡絲，制得了纖維直徑均勻、表面光滑、保濕性能良好的復(fù)合纖維膜。但該方法中使用了有毒溶劑甲酸，纖維膜中殘留的有毒溶劑會對人體造成傷害。

2.2.2 絲素蛋白在組織工程中的應(yīng)用

為克服有毒溶劑對絲素纖維在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的影響，一些研究人員嘗試以水作為溶劑進(jìn)行絲素蛋白靜電紡絲，這種方法具有價(jià)格便宜、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在組織工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 Rajabi等[45]以水作為溶劑，制備了絲素蛋白/聚氧化乙烯(PEO) 納米纖維支架，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明絲素蛋白/聚氧化乙烯支架具有良好的親水性，且可有效地促進(jìn)細(xì)胞增殖。

3 總結(jié)與展望

近年來，靜電紡絲制備蛋白納米纖維取得了一定的進(jìn)展，然而仍存在一些問題亟待解決。

1)靜電紡絲過程中溶劑的選擇。研究者已通過一些方法在靜電紡絲過程中使蛋白質(zhì)不受有毒溶劑的影響，但這些方法存在靜電紡過程復(fù)雜等缺陷，因此，尋找操作簡便、綠色友好的方法是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

2)靜電紡蛋白納米纖維膜的力學(xué)性能。通過與高分子質(zhì)量聚合物共混等方法可提高蛋白纖維膜的力學(xué)性能，但仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用需要。靜電紡絲制備蛋白納米纖維膜的力學(xué)性能是制約其應(yīng)用的一大問題，探究提高蛋白納米纖維力學(xué)性能的方法對于拓展蛋白纖維的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。

3)通過靜電紡絲制備蛋白納米纖維膜主要是應(yīng)用于生物工程領(lǐng)域。蛋白纖維作為組織支架具有明顯的優(yōu)勢，但目前仍存在一些挑戰(zhàn)，例如支架的生物相容性、力學(xué)性能以及尺寸結(jié)構(gòu)等。這些挑戰(zhàn)仍需要生物工程研究人員進(jìn)行突破，另外，蛋白纖維在過濾、傳感器件等領(lǐng)域應(yīng)用的研究還有待加強(qiáng)。