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醫(yī)用蠶絲科技新蟲 (初入文壇)
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[交流]
物理交聯(lián)絲素蛋白/透明質(zhì)酸支架
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結(jié)合天然蛋白質(zhì)和多糖的特性是產(chǎn)生具有可控結(jié)構(gòu)的生物活性生物材料的一種有前途的方案�！禤hysically crosslinked silk fibroin/hyaluronic acid scaffolds》這篇文章報(bào)道了一種使用全水工藝制備具有可調(diào)性能的水不溶性絲素蛋白/透明質(zhì)酸 （SF/HA） 支架的新方法。冷凍誘導(dǎo)組裝在SF/HA共混物中形成silk-I結(jié)晶。Silk-I結(jié)晶通過形成silk-I晶體網(wǎng)絡(luò)來捕獲共混HA，無需化學(xué)交聯(lián)，從而增強(qiáng)了SF/HA支架在水中的穩(wěn)定性。這種新型非化學(xué)交聯(lián)蛋白質(zhì)/多糖支架由于具有出色的生物相容性和可調(diào)性能，可用于軟組織工程。 【研究內(nèi)容】 圖1展示了直接用SF/HA水溶液通過冷凍退火處理后制備水不溶性SF/HA支架。電鏡下觀察材料具有典型不規(guī)則梭形形狀的相互連接的大孔形態(tài)。 純SF支架表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性。與HA混合后，共混物表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性，水溶性為4.0–4.6%，表明SF的存在增強(qiáng)了HA在水中的穩(wěn)定性。隨著HA含量從1.5 wt %增加到5.0 wt%，水溶性沒有表現(xiàn)出顯著變化。然而，HA含量超過7.5 wt %的SF/HA共混支架往往不穩(wěn)定，表現(xiàn)為水溶性顯著增加。 通過XRD測定SF/HA共混支架結(jié)構(gòu)的變化。圖3顯示了退火處理前后SF/HA混合支架的XRD數(shù)據(jù)。可溶性SF支架呈現(xiàn)無定形狀態(tài)，其特征是在10.5°至25.0°的2θ散射角范圍內(nèi)存在寬峰。與HA共混后，物理共混過程中晶體結(jié)構(gòu)無變化。水不溶性SF支架在冷凍退火后表現(xiàn)出典型的晶體結(jié)構(gòu)。SF樣品顯示出silk-I結(jié)構(gòu)的典型XRD，衍射峰分別為12.0°、19.7°和28.0°，對(duì)應(yīng)silk-I晶距分別為0.73、0.45和0.32 nm。結(jié)果表明，SF的存在顯著增強(qiáng)了SF/HA支架在水中的穩(wěn)定性，因?yàn)槠浣zI晶結(jié)構(gòu)域起著物理交聯(lián)的作用。雖然HA并未阻止混紡物中SF的silk-I結(jié)晶，但隨著HA比值的增加，silk-I晶峰的強(qiáng)度逐漸降低，表明silk-I含量降低。 圖4顯示了水不溶性SF/HA支架形成的潛在機(jī)制。SF/HA 混合物是水溶性的，因?yàn)?HA 不與 SF 鏈發(fā)生化學(xué)交聯(lián)。冷凍可以誘導(dǎo)絲素蛋白的組裝，并在退火后形成silk-I主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。冷凍退火誘導(dǎo)silk-I結(jié)晶，HA鏈被silk-I晶體捕獲，形成水不溶性SF/HA支架。當(dāng)HA含量增加到高水平時(shí)，SF/HA混合物中silk-I的含量可能不足以捕獲大量的HA。由于混紡中的silk-I含量較低，HA含量超過7.5 wt % 的SF/HA支架往往不穩(wěn)定。 SF/HA混合支架在不同溶脹時(shí)間下的溶脹比如圖5所示，SF支架在10 min后溶脹率最低，為14.5。支架的溶脹能力隨著HA含量的增加而逐漸增加。具有5.0 wt %HA的支架顯示出優(yōu)異的溶脹能力。在較短的溶脹時(shí)間（5 min）下，溶脹比達(dá)到18.7,15 min后達(dá)到最大值19.4。進(jìn)一步測試了37 ℃下混合支架的保水率。隨著HA含量的增加，支架失水率逐漸降低。含5.0 wt %HA的支架保水能力最高，90 min后保水量為72.7±0.3%，顯著高于SF支架（58.7±1.5 %）。結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，HA的引入顯著提高了SF支架的水結(jié)合能力。 添加5.0 % HA后，支架的抗壓強(qiáng)度從81±8 kPa降低到50±7kPa。SF支架的楊氏模量最高（57±5kPa），模量從57±5kPa逐漸減小至48±5kPa和32±3kPa，HA含量從0wt%增加到2.5wt%和5.0wt%。模量的降低增強(qiáng)了多孔支架的柔軟度。多孔支架在濕態(tài)下的抗壓性能與干態(tài)的抗壓性能呈相似趨勢(shì)。添加5.0%HA后，支架的抗壓強(qiáng)度從5.2±0.9kPa降低到3.0±0.7kPa。特別是，SF/HA支架的柔韌性進(jìn)一步降低。與SF組分相比，HA具有更強(qiáng)的吸水性，因此模量顯著降低。與HA混合后，HA含量從0wt%增加到2.5wt%和5.0wt%，模量從4.18±0.04kPa逐漸降低到3.17±0.04kPa和2.29±0.01kPa。該混合系統(tǒng)成功地整合了SF的機(jī)械強(qiáng)度和HA的水結(jié)合能力和柔韌性。 圖7顯示了不同酶降解時(shí)間內(nèi)樣品的重量損失。隨著暴露時(shí)間的增加，PBS溶液中SF導(dǎo)管的失重緩慢增加。在PBS溶液中孵育21 d ，兩組之間未觀察到顯著差異，兩組支架的重量損失達(dá)到47%。在膠原酶IA溶液中孵育時(shí)，SF材料在孵育21天后體重減輕了約72%。在前7天，SF 支架的降解速度似乎更快，可能是因?yàn)?SF 首先降解并從混合物中釋放出來。14 d后，SF/HA支架顯示出更快的降解速率，這可能與樣品中HA的釋放有關(guān)。孵育 21 天后，樣品體重減輕了82%。 【結(jié)論】 通過冷凍誘導(dǎo)的silk-I結(jié)晶，可以直接從SF/HA水溶液中制備水不溶性SF/HA支架。該系統(tǒng)的機(jī)制是由于silk-I晶體的形成，將非結(jié)晶鏈捕獲在混合物中。當(dāng)HA含量達(dá)到7.5 wt %時(shí)，SF/HA共混支架在水中往往不穩(wěn)定，因?yàn)镾F晶體不足以捕獲大量的HA。雖然添加的HA含量不到5%，但可以有效調(diào)節(jié)支架的水結(jié)合力、力學(xué)性能、降解行為。物理交聯(lián)的 SF/HA 支架提供了一套有用的性能，將SF的機(jī)械完整性和緩慢降解與HA的水結(jié)合能力和生物信號(hào)傳導(dǎo)相結(jié)合。這一發(fā)現(xiàn)也可用于生產(chǎn)SF生物相容性聚合物共混支架，以改善SF基生物材料的性能。 原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116232 |
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