靜電紡絲素蛋白支架材料的研究進展

周宇航

（1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院，江蘇 蘇州 215123；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123）

1 絲素蛋白的結(jié)構(gòu)和性能

1.1 組成、結(jié)構(gòu)與制備

根據(jù)食物不同的來源，蠶絲大致可以分為桑蠶絲和非桑蠶絲。盡管來源不同，蠶絲纖維大多都是由與某些大分子相關(guān)的蛋白質(zhì)構(gòu)成，例如脂類和多糖。蠶絲主要由絲素和絲膠兩種蛋白質(zhì)組成，蠶繭里面有25%~30%是絲膠，絲膠的親水性高于絲素蛋白，可以溶于熱水，也可以通過脫膠過程與絲素蛋白分離。將蠶繭放入堿性溶液中，可以通過水煮進行絲素蛋白的提純。

絲素蛋白占蠶絲的70%~80%，由18種氨基酸組成[1]。絲素蛋白大分子中存在結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)主要分為兩類：Silk I和Silk II結(jié)構(gòu)。Silk I結(jié)構(gòu)是介于α-螺旋與β-折疊的一種水溶性狀態(tài)；Silk II是具有反平行的β-折疊結(jié)構(gòu)，與Silk I相比，分子排列更整齊，穩(wěn)定性更好。

絲素蛋白的二級結(jié)構(gòu)主要分為無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)、α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)。無規(guī)卷曲和α-螺旋結(jié)構(gòu)是水溶性的，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，可在外界條件的作用下轉(zhuǎn)換成不同的二級結(jié)構(gòu)，而β-折疊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好。絲素蛋白的3種結(jié)構(gòu)在某些外在條件下可以相互轉(zhuǎn)變，例如濃度、溫度、pH[2]、剪切力或拉伸應(yīng)力、金屬離子和有機溶劑等。

1.2 生物特性

絲素蛋白結(jié)構(gòu)獨特，具有優(yōu)異的生物相容性、可控的生物降解性、良好的力學性能、低免疫原性、結(jié)構(gòu)完整性、適合用于水或有機溶劑加工，可進行化學修飾，其優(yōu)良的生物學性能使其在生物醫(yī)學方面有著廣闊的前景和較高的使用價值。

1.2.1 優(yōu)異的生物相容性

作為一種歷史悠久的天然高分子材料，絲素蛋白在外科縫合線方面的成功應(yīng)用證實了其優(yōu)異的生物相容性。

1.2.2 可調(diào)節(jié)的生物降解性

生物降解性是生物醫(yī)用材料的一個重要指標，某學者將生物降解定義為：可植入聚合物材料通過生物元素的降解性，其降解的碎片可通過流體轉(zhuǎn)移離開植入部位，但不一定在體內(nèi)移動。絲素蛋白不僅是可生物降解的，而且是可生物吸收的，其降解的產(chǎn)物主要為氨基酸，不會通過代謝途徑吸收后產(chǎn)生毒性。

1.2.3 良好的力學性能

蠶絲良好的力學性能吸引了大量研究者的注意，其斷裂強力、彈性模量和伸長率之間的平衡使其具有很好的韌性。因此，蠶絲的特性為開發(fā)一系列產(chǎn)品提供了巨大的優(yōu)勢，但是蠶絲一旦經(jīng)過水處理，大多會變得脆弱。例如天然蠶絲的拉伸強度為0.50~0.60 GPa，斷裂伸長率為10%~40%。但是，絲素蛋白膜的干拉伸強度僅為0.02 GPa，斷裂伸長率小于2%。這是由于絲素蛋白再生材料的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，調(diào)整其二級結(jié)構(gòu)，可有效增強絲素蛋白再生材料的力學特性，甚至接近天然蠶絲。

1.2.4 可加工性

由于絲素蛋白的α-螺旋和無規(guī)卷曲兩種二級結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其可溶于水。在室溫下，在中性的pH以及低剪切力等溫和的條件下，采用某些方法可以制得絲素蛋白基材料，該材料可搭載生物活性藥物，可控制藥物的釋放速率，利于細胞的粘附和生長。絲素蛋白在再生的過程中，可以通過各種后處理方法（如水蒸氣處理、乙醇處理等）獲得不同的二級結(jié)構(gòu)。隨著結(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)化，絲素蛋白可表現(xiàn)出更好的結(jié)構(gòu)完整性和抗水解性能，β-折疊結(jié)構(gòu)賦予其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可獲得更好的生物材料性能。

2 靜電紡絲素蛋白支架材料的制備與性能

靜電紡絲技術(shù)是一種制備微納米級纖維的方法，比起其他制備技術(shù)，靜電紡絲有著突出的優(yōu)勢，比如其操作簡單、成本低、設(shè)備容易組裝，可適用于大多數(shù)高分子有機聚合物。運用靜電紡絲技術(shù)制備的微納米級纖維膜具有合適的孔徑、較大的比表面積、均勻的纖維直徑以及相互交錯貫通的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。目前，大量天然聚合物、合成聚合物已經(jīng)被用來配制紡絲液進行靜電紡絲生產(chǎn)微納米級纖維。其中，天然聚合物也被大量用于靜電紡絲來生成微納米級纖維，例如膠原蛋白、殼聚糖[3]、甲殼素[4]、海藻酸鹽[5]、絲素蛋白等。

組織工程支架應(yīng)該最大限度地模擬細胞外基質(zhì)（ECM）的組織結(jié)構(gòu)和生物學性能，通過靜電紡絲制備的微納米級纖維支架，具有相互連接貫通的孔隙和極大的比表面積，類似于ECM的形貌特征，有利于細胞的粘附和生長。絲素蛋白是由蠶絲脫膠處理后得到的天然蛋白質(zhì)，由乙氨酸、丙氨酸、絲氨酸等20多種氨基酸構(gòu)成，其優(yōu)異的生物相容性、可調(diào)節(jié)的生物降解性、無細胞毒性、良好的力學性能以及可加工性，可大量應(yīng)用于組織工程支架的領(lǐng)域。靜電紡絲素蛋白纖維兼具了絲素蛋白和靜電紡絲的優(yōu)點，成為近年來組織工程支架的重點研究對象。

3 靜電紡絲素蛋白支架材料的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

3.1 血管組織工程支架

一般的人工血管主要分為機織人工血管、針織人工血管、非織造人工血管、組織工程人工血管等，其性能要求具有抗血栓能力、適當?shù)目紫堵屎蛢?yōu)異的生物相容性，但常規(guī)的血管材料生物相容性較差，容易形成血栓。運用靜電紡絲法制備的微納米級纖維結(jié)構(gòu)，可模擬原生細胞外基質(zhì)作為小口徑血管組織工程支架。某學者通過靜電紡絲技術(shù)制備具有一定力學性能的絲素蛋白組織工程支架，模擬原生血管結(jié)構(gòu)，并在支架上培養(yǎng)內(nèi)皮細胞（HAECs）和平滑肌細胞（HCASMCs）。實驗結(jié)果證明，細胞在支架上的生長狀態(tài)良好。

3.2 骨組織工程支架

骨組織工程支架材料需要滿足移植到人體后能與成骨細胞結(jié)合，并且具有良好的生物可降解性。與其他方法相比，運用靜電紡絲法制備的骨組織工程支架的比表面積大、孔隙率較高，有利于骨細胞的生長。某學者使用靜電紡絲技術(shù)制備了平均直徑為（700±50）nm的絲素蛋白納米纖維支架，將人類骨髓基質(zhì)細胞（BMSCs）種植在支架上，觀察細胞的生長情況。SEM和MTT的結(jié)果表明，絲素蛋白納米纖維支架支持人類骨髓基質(zhì)細胞的粘附和增殖。

3.3 神經(jīng)組織工程支架

神經(jīng)組織工程是神經(jīng)損傷修復(fù)領(lǐng)域的有效方法之一，神經(jīng)組織工程支架的關(guān)鍵在于其力學性能和生物性能。在靜電紡絲技術(shù)中，通過改變高聚物紡絲液的配比參數(shù)以及紡絲參數(shù)來調(diào)控支架的力學和生物學性能。某學者分析了靜電紡絲納米纖維的取向度和直徑對神經(jīng)干細胞（NSC）的形態(tài)和生長的影響，結(jié)果表明，細胞會沿著纖維的方向拉伸和生長，生長狀態(tài)良好。

3.4 醫(yī)用敷料

由于天然細胞外基質(zhì)來源有限，以天然細胞外基質(zhì)為基礎(chǔ)添加人工合成材料制備仿生細胞外基質(zhì)支架成為研究熱點，不僅保留了天然細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，還提高了力學性能，來源廣泛、制備簡單。某學者將靜電紡明膠/PLGA纖維分散、加工成短纖維，作為增強材料加入3D打印軟骨脫細胞基質(zhì)支架中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，支架具有良好的力學性能和生物相容性，并且可以促進兔軟骨的缺損修復(fù)。某學者制備了一種可注射的膠原-糖胺聚糖（GAG）基質(zhì)，該基質(zhì)中含有聚乙烯醇（PVA）-硼酸鹽網(wǎng)絡(luò)。通過比較可以得出，聚乙烯醇（PVA）-硼酸鹽網(wǎng)絡(luò)的加入可以改善支架的結(jié)構(gòu)和力學性能，抑制細胞的增殖，但不影響細胞活力，說明該膠原-糖胺聚糖（GAG）基質(zhì)作為組織工程或者細胞移植的可注射材料具有很大的潛力。

4 結(jié)論與展望

通過靜電紡絲法制備絲素蛋白三維微納米纖維支架材料，操作簡單，可帶來大量收益。雖然靜電紡絲素蛋白支架材料在科研領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定成果，但要完全應(yīng)用于臨床領(lǐng)域還是有一定困難。結(jié)合靜電紡絲和絲素蛋白的優(yōu)點，通過后處理等一系列操作，相信靜電紡絲素蛋白支架材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域?qū)〉酶蟮倪M步和發(fā)展。