絲素蛋白化學改性及其應用的研究進展

王慈恩, 郭 慶, 崔志華, 陳維國, 張志強

(1.浙江理工大學 a.紡織科學與工程學院; b.“生態染整技術”教育部工程研究中心,杭州 310018;2.浙江厚源紡織股份有限公司,浙江 嘉興 314511)

桑蠶絲是家蠶結繭時由絲腺所分泌的蛋白質液凝固而成的天然纖維,由兩根橫截面為類三角形的絲素蛋白纖維和將其包裹的絲膠蛋白兩個主要部分及少數脂質構成[1]。絲素蛋白是構成蠶絲的主體部分,約占總重量的75%;包裹在絲素外層的絲膠約占蠶絲總重的25%,起黏合的作用[2]。絲素蛋白包含18種天然氨基酸,其中甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)和絲氨酸(Ser)占85%,絲氨酸、天冬氨酸(Asp)和酪氨酸(Tyr)等則占20%左右[3-4]。將生絲上的絲膠通過脫膠工藝去除干凈后,留下的即是絲素蛋白纖維。絲素蛋白的二級結構主要有三種構象:α-螺旋、β-折疊和無規卷曲[5]。在一定條件下,三種構象能互相轉化,改變絲素材料力學性能。

絲素蛋白是從蠶絲纖維中提取的天然高聚物,具有優秀的生物相容性和生物降解性,可以進一步加工成不同形態的材料,如納米顆粒、薄膜、水凝膠和海綿等[6-9],以滿足不同領域的需求。目前,絲素蛋白材料也從傳統的紡織領域逐步向生物醫藥、化妝品等多個應用領域拓展。為滿足不同領域的需要,研究人員基于絲素蛋白原有的優良性能,對其進行進一步化學改性處理。同時,絲素蛋白中各種氨基酸殘基上的活性基團也為絲素蛋白的化學改性提供了化學反應的位點[10]。本文擬對絲素蛋白的化學改性方法,以及其在各個領域中的應用進行歸納總結。

1 絲素蛋白的化學改性

絲素蛋白的化學改性方法主要包括:氨基酸殘基改性、絲素蛋白接枝改性和交聯反應改性。

1.1 氨基酸殘基改性

通過化學試劑對蛋白質氨基酸殘基進行修飾,可以在絲素大分子側鏈上引入或去除某些基團,其中部分絲素蛋白氨基酸側基的改性反應如圖1所示。Yasushi[11]用氯磺酸在絲素蛋白分子鏈上引入硫酸鹽基團,硫酸化主要發生在酪氨酸和絲氨酸的殘基上。Zheng等[12]利用NaClO的氧化作用在絲氨酸上引入羧基,誘導羥基磷灰石的礦化來提高骨組織再生速度,但是該方法對絲素結構破壞較大(圖1(a))。為減少羧基化對絲素蛋白損傷,Heichel等[13]在離子液體/二甲基甲酰胺均質溶液中使用琥珀酸酐修飾絲蛋白,可在絲氨酸(Ser)殘基上引入羧基(圖1(b))。相比在水性溶劑中羧化,離子液體中羧化的絲素蛋白相對分子質量更高,水解明顯減少。另外,也有研究者利用酪氨酸(Tyr)殘基的酚羥基易發生親電取代的特點,將重氮鹽通過偶合取代反應偶合在氨基酸上,以產生偶氮苯衍生物的方式來引入功能性基團[14-15](圖1(c))。

圖1 絲素蛋白側基的化學改性Fig.1 Chemical modification of silk fibroin on side groups

1.2 絲素蛋白大分子的接枝改性

絲素蛋白的接枝改性是將功能性化合物結合到絲素蛋白大分子鏈上的主要手段之一,接枝絲素蛋白的性質受接枝物的類型和接枝率影響。

乙烯基單體接枝絲素蛋白的研究工作很早就有開展。乙烯基類單體接枝蠶絲后,可以進一步發生自由基聚合反應,生成接枝聚合物的改性效果。Furuzono等[16]通過甲基丙烯酰氧基乙基異氰酸酯(MOI)對絲素蛋白的氨基、羥基和羧基進行修飾,隨后在引發劑的作用下將2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸膽堿(MPC)接枝到修飾后的蠶絲上(圖2),在增重的同時改善蠶絲的血液相容性,減少血小板的黏附。也有研究者通過酶的催化作用把多肽[17]、類固醇[18]、天然高分子聚合物[19]和其他功能性物質接枝到蠶絲上。唐耿鐵等[20]利用酪氨酸酶氧化酪氨酸殘基產生活化的多巴醌,提高接枝效率的作用,將殼聚糖接枝到絲纖維上。QI等[21]利用酪氨酸酶氧化兒茶素形成活性鄰苯醌結構,和絲素分子鏈上的氨基發生反應,從而接枝到絲素蛋白上,還使用ε-PLL模擬兒茶素和絲素的共價結合,證實了酶對接枝反應的促進效果。

圖2 MOI修飾的絲素蛋白與MPC的接枝反應Fig.2 Grafting reaction of MPC with MOI modified silk fibroin

1.3 絲素蛋白大分子的交聯反應改性

化學交聯是利用交聯劑、酶或紫外線照射等方式,使大分子鏈之間以共價鍵相結合形成網狀結構的的過程。交聯反應可以在絲素蛋白分子鏈內部和分子鏈之間形成共價鍵而改變其結構特性,提高穩定性;也可以讓絲素與其他高聚物形成共價鍵結合。

用于絲素蛋白修飾改性的合成交聯劑有戊二醛、碳化二亞胺、氰尿酸氯及一些環氧化合物等[22-26]。戊二醛的兩個醛基,可與蛋白質的胺基反應產生交聯結構。碳化二亞胺可以在酸性條件下與氨基酸殘基上的羧基反應,生成對-酰基異脲,之后會與氨基或羥基繼續反應,得到穩定的酰胺和酯鍵[27]。環氧化合物則通過開環反應與蛋白質分子鏈上的氨基、羥基等發生共價鍵結合,起到交聯作用[28]。

考慮到部分未反應的交聯劑可能殘留在絲素材料中而產生生物相容性問題,近年來使用天然交聯劑的研究及應用呈現增長趨勢。京尼平是報道較多的天然交聯劑,是梔子苷被β-葡萄糖苷酶水解后產生的一種環烯醚萜類化合物。如圖3所示,絲素蛋白分子鏈上的氨基會對京尼平C3原子發起親核攻擊,打開六元環形成仲胺和新的醛基,之后仲胺對新形成的醛基發生親核攻擊,形成含氮的六元環,同時京尼平上的羧基端也可以與氨基共價結合[29]。與戊二醛等合成交聯劑相比,京尼平交聯改性后的絲素材料有良好的機械性能,且細胞毒性顯著降低[30-31]。

圖3 京尼平與絲素蛋白分子的反應Fig.3 Reaction of fibroin molecule with Genipin

2 絲素蛋白化學改性的應用

2.1 紡織品領域

蠶絲織物有易生褶皺[32]、光致發黃老化等缺點[33],對前者可以采用乙烯基單體的接枝共聚改性、交聯劑改性等方法來改善。已發表的乙烯基單體主要包括乙烯類、甲基丙烯酸酯類和甲基丙烯酰胺類三大類,接枝改性主要目的是改善蠶絲的防縮抗皺和耐磨性能[34]。多元羧酸/酸酐、環氧化合物等交聯劑上的活性基團與羧基、羥基、氨基等共價結合,使絲素大分子鏈交聯而改善蠶絲織物的抗皺性等[35]。

除了改善真絲織物本身和加工工藝的缺陷,許多研究者嘗試通過化學改性賦予蠶絲特殊性能。某些化學整理劑能與絲素的氨基酸發生反應直接改變絲素特性,也能讓其他難以牢固結合的功能性物質固著在絲素材料上而發揮作用。如Cheng等[44]合成了一種新型阻燃劑——戊二醛氨基磺酸銨磷酸二乙酯鹽(GASDP),對蠶絲蛋白接枝處理后,使蠶絲織物有良好的耐洗性和耐久阻燃效果。Zhou等[45]用含有乙烯砜基團的紫外線吸收劑對姜黃素進行改性,并對蠶絲纖維進行染色,改善了真絲織物的抗菌(大腸桿菌的抗菌活性超過90%)和防紫外線性能(UPF=50.65)。

2.2 生物醫藥領域

絲素蛋白憑借其優秀的生物相容性、生物可降解性,已成為生物醫藥領域的熱門研究材料。經過適當化學改性的絲素蛋白材料擁有更加出色的生物活性、藥物傳遞能力、抗菌性能和機械性能。這些性能的優化讓絲素蛋白材料在藥物控制輸送、組織再生與創面修復等方面表現出巨大潛力。

2.2.1 藥物傳遞系統

藥物傳遞系統需要將藥物運輸到致病部位并控制釋放[46],同時盡可能減少副作用。目前有關絲素蛋白藥物傳遞系統的研究主要致力于控制藥物的輸送時間。Chung團隊分別通過殼聚糖和多巴胺對絲素進行改性[47-48]。絲素蛋白與多巴胺偶聯制成的納米顆粒具有明顯抗氧化能力和長效釋放姜黃素的能力,如持續釋放時間可達14 d。而殼聚糖與絲素蛋白交聯制得絲素/殼聚糖微粒,在搭載四環素的測試中可將釋放時間從2 d延長至10 d。另外,改性絲素蛋白還可以提高治療性蛋白質的熱穩定性、治療效果,降低免疫反應性和細胞毒性[49-50]。Yan等[51]將胰島素和絲素納米粒子通過戊二醛偶聯,其體外測試表明,修飾后的胰島素對胰蛋白酶消化的抗性和體外穩定性得到有效提高,體外半衰期約為天然胰島素的2.5倍。

2.2.2 組織工程

在組織工程方面,絲素蛋白可以制成纖維、薄膜、水凝膠和多孔支架等多種形態材料,以滿足不同的身體部位需求,是一種理想的生物材料。大量研究報告顯示,化學改性可讓絲素蛋白材料擁有更好的細胞黏附、增殖和分化的能力[52-53],促進組織再生和傷口愈合。表1總結了化學改性的絲素蛋白材料在不同人體組織工程中應用的研究情況。

表1 改性絲素蛋白材料在各類組織中的應用效果Tab.1 Application effect of modified silk fibroin in various tissues

2.2.3 創面修復

氨基酸殘基的氫鍵作用,以及絲素與底物形成的β-折疊結構[62-63]使得絲素蛋白材料擁有一定的黏合能力。因此在創面修復方面,除了常規的薄膜形態,絲素蛋白也可用作液態的傷口黏合劑。其在手術過程中可應對各種形態的傷口,起到快速止血作用,有廣闊的應用前景。為提高黏合強度和速度,Kim等[64]用甲基丙烯酸縮水甘油酯將絲素蛋白溶液改性,改性后的絲素蛋白溶液在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(波長365 nm)10～30 s即可發生交聯,快速凝膠化以保護傷口。在之后的動脈離體爆破壓力測試中發現,絲素黏合劑的連接強度是普通尼龍縫合線的1.5倍;大鼠體內測試發現,該黏合劑不會在體內誘導慢性炎癥反應。

2.3 環境科學領域

絲素蛋白材料在環境科學中的應用研究主要集中于對水中雜質的吸附、分離與催化。張凱等[65]合成了3,5-二[(2-羥基-4’-乙基磺酰硫酸鈉)偶氮苯-次甲亞胺基]苯甲酸及其Mn2+、Cu2+、Co2+的金屬配合物,對絲素膜進行改性。各種金屬配合物的改性絲素膜對過氧化氫均有催化分解的能力,其中Mn2Z1的催化效果最佳。

油水分離方面,可以引入疏水鏈,改變絲素材料的親水性。Shome等[66]通過絲素蛋白的氨基與丙烯酸酯發生共軛加成反應,然后用烷基胺對丙烯酸酯基團進行改性,制得絲素海綿材料。十八烷基胺(ODA)改性的絲素海綿在酸/堿性水、河水、含表面活性劑的水和海水中都保持高疏水吸油能力,在油/水混合物中選擇性地收集油相,分離效率保持在95%以上。

化學改性產生的絲素蛋白材料結構變化也會對吸附能力產生影響。Xie[67]等用苯乙醇交聯絲素制得絲素納米纖維氣凝膠,具有疏水性,對大豆油、鱷梨油和玉米油的油水分離性能達到90%以上,并發現孔隙和β-折疊結構的增加是疏水吸油效果提升的主要原因。

3 結 論

在保持其自身優良特性的基礎上,通過對絲素蛋白材料進行氨基酸殘基改性、蛋白質大分子的接枝改性和交聯改性等加工,可以改變絲素材料的某些重要特性,例如親水性、二級結構、材料形貌、生物活性和機械性能,從而滿足絲素材料各種應用及功能化的要求。在眾多的蠶絲素蛋白化學改性研究和應用領域,尤其是真絲織物產品和生物醫藥方面,已經取得了豐碩的成果,為相關領域的進一步發展奠定了良好的基礎,也顯示出絲素蛋白材料的化學改性具有非常大的潛力和應用前景。然而,目前的改性手段仍存在不少需克服和進一步完善的問題,如需要溫和的改性條件和能精確調控改性程度等方面,這將是今后相關領域的研究方向。

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