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新興絲素蛋白材料及其應用：蠶絲交聯(lián)創(chuàng)新帶來的新功能
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【摘要】 絲素蛋白材料應用于生物醫(yī)學、食品和高科技行業(yè)，在很大程度上得益于將蠶絲加工成再生絲素蛋白溶液的能力，該溶液可以被工程化為多種材料形式，并通過重新引入非共價的天然β-折疊蛋白結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定。蠶絲材料創(chuàng)新則通過共價交聯(lián)和塑化實現(xiàn)絲素蛋白的穩(wěn)定。這些方法將蠶絲變成了一種不僅堅固，而且具有彈性和柔韌性的材料，極大地拓寬了蠶絲材料的制造策略，包括光刻、數(shù)字光處理和3D打印。因此，蠶絲現(xiàn)在可以用于一系列應用，包括眼部假體、生物粘合劑、組織工程基質(zhì)、綠色可生物降解的LED和電池、皮膚和植入式傳感器以及生物塑料。在這篇綜述中，我們討論了蠶絲材料中交聯(lián)的演變，重點是基于酪氨酸和甲基丙烯酸酯的共價交聯(lián)，以及使用甘油和鈣離子塑化蠶絲所帶來的結(jié)構(gòu)變化。 【研究內(nèi)容】 通過共價交聯(lián)和塑化方法穩(wěn)定蠶絲材料，補充了傳統(tǒng)的基于物理β-sheet的交聯(lián)，使蠶絲材料取得了重大進展。這些方法( 1 )產(chǎn)生了具有獨特物理和生物特性的新型蠶絲材料；( 2 )擴展了蠶絲的可加工性，特別是使用了更多的現(xiàn)代制造方法，如光刻和增材制造；( 3 )擴展了蠶絲的應用領(lǐng)域；( 4 )為基本了解蠶絲纖維的進化和結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系提供了信息；( 5 )解決了基于β-sheet的蠶絲材料的一些局限性。 一、絲素蛋白交聯(lián)方式 （1）β-sheet 物理交聯(lián)是一種大量促進蠶絲凝膠化的機制，可以在沒有對絲素蛋白聚合物鏈進行化學修飾或使用化學交聯(lián)劑的情況下進行。然而，雖然物理交聯(lián)的水凝膠在許多應用中發(fā)現(xiàn)了實用性，但其不透明性、脆性以及降解緩慢限制了細胞重塑其微環(huán)境的能力。 （2）雙酪氨酸交聯(lián) ①酶介導的雙酪氨酸交聯(lián) 交聯(lián)機理是在H2O2存在下產(chǎn)生強氧化性物質(zhì)，將蠶絲聚合物鏈上的酪氨酸殘基氧化為酪氨酸自由基，然后兩個酪氨酸自由基耦合形成共價雙酪氨酸鍵。一項研究表明，與物理交聯(lián)的對應物不同，HRP/H2O2交聯(lián)的水凝膠是透明的和高彈性的，具有高抗疲勞性(在70 %以上的壓縮應變下具有最小的滯后)，已被廣泛用于開發(fā)各種蠶絲基材料，包括用于細胞生長的基質(zhì)、微流體裝置、電子器件中綠色發(fā)光二極管( LED )的透鏡以及用于藥物傳遞和傳感應用的刺激響應材料。 研究證實HRP/H2O2水凝膠微流控平臺在組織工程、再生醫(yī)學和藥物開發(fā)應用中比傳統(tǒng)的基于聚二甲基硅氧烷( PDMS )的微流控具有獨特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的PDMS不同，絲素水凝膠微流控器件在溫和的水相條件下可生物降解和加工，支持細胞的摻入而生物分子不僅存在于微流控通道中，也存在于塊體材料中。 ②Fenton反應介導雙酪氨酸交聯(lián) 通過芬頓反應制備的絲素水凝膠在2019年首次被報道，目的是避免二酪氨酸交聯(lián)的水凝膠在生物醫(yī)學應用時對HRP的潛在免疫反應。最近，通過引入吸附Fe (Ⅲ)的殼聚糖顆粒，實現(xiàn)了對Fe (Ⅲ)與蠶絲相互作用的控制，從而控制了β-sheet和二酪氨酸鍵的形成。使用該方法并加入EDTA，增加了DOPA的形成，探索水凝膠在組織粘附中的潛在應用。 ③光引發(fā)的雙酪氨酸交聯(lián) 利用光介導的氧化還原反應也可以促進雙酪氨酸交聯(lián)，應用于心臟補片、真皮填充物和組織粘合劑。光交聯(lián)使蠶絲快速凝膠化(<1 min )，形成光學透明的凝膠，支持以極高密度(相對于HRP/H2O2交聯(lián)水凝膠中的最大值250萬/ mL , 1500萬/m L)包裹細胞并形成軟骨組織。 核黃素(俗稱維生素)是另一種在蠶絲共價交聯(lián)的光引發(fā)劑，一種天然存在于我們體內(nèi)的分子，被證明具有細胞相容性，因此被認為非常適用于生物醫(yī)學應用。核黃素交聯(lián)的蠶絲正在被研究用于組織工程，作為止血材料、眼睛修復和微針的開發(fā)。 （3）結(jié)合雙酪氨酸和β-sheet交聯(lián) 為了進一步調(diào)節(jié)蠶絲水凝膠的性能，一些研究將雙酪氨酸交聯(lián)和β-折疊相結(jié)合，以改善蠶絲材料的機械性能和降解性能。此蠶絲材料已被提出用于一系列應用，包括耳鼓替代、組織工程、CO2封存，以及制造新一代分層定義的仿生材料。 （4）甲基丙烯酸酯改性的光交聯(lián) 甲基丙烯酸酯改性的蠶絲用于開發(fā)葡萄糖傳感器和"蠶絲折紙"等柔性生物電子器件。例如，使用PEDOT：PSS和甲基丙烯酸化絲膠的復合墨水作為光刻膠，在甲基丙烯酸化絲素蛋白的基底上共價連接形成精確的微尺度特征，從而創(chuàng)建柔性、自支撐和導電的器件。 研究證明GMA改性的蠶絲是一種有前途的組織密封劑，在皮膚、肝臟和血管損傷動物模型中，當使用紫外光原位交聯(lián)時，LAP存在下的改性蠶絲具有優(yōu)異的止血性能和組織粘附性，可以促進大鼠模型中部分厚度傷口的愈合。 二、蠶絲塑化 蠶絲塑化通過控制水或添加甘油、鈣離子或低分子量蠶絲實現(xiàn)。甘油和鈣離子提高了蠶絲材料的柔韌性、保濕性和自修復性能，為蠶絲在多樣化應用中的使用創(chuàng)造了新的機會，已被廣泛用于開發(fā)柔性、可拉伸和自修復的蠶絲材料，以應用于生物塑料、傳感器、可穿戴電極和綠色電池等領(lǐng)域。 （1）蠶絲的甘油塑化 將甘油增塑的電紡蠶絲材料與PEDOT：PSS界面結(jié)合，開發(fā)了皮膚上的電生理傳感器。這些電極具有高度的可拉伸性( > 250% )，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗蒸發(fā)性和水蒸氣透過性，提供了優(yōu)異的心電信號質(zhì)量，同時允許汗液蒸發(fā)過程中的熱量散失。甘油也被證明可以改善PVA-co-PE短納米纖維在蠶絲膜中的分散性，顯示出開發(fā)下一代納米復合材料的潛力。 （2）蠶絲的鈣離子塑化 鈣離子在蠶絲纖維紡絲、絲素蛋白溶解、蠶絲交聯(lián)和蠶絲材料工程中發(fā)揮著重要而復雜的作用。研究表明，氯化鈣/甲酸溶劑被證明可以將脫膠蠶絲纖維轉(zhuǎn)化為納米纖維，而不是單個絲素蛋白分子，保留了在原生纖維中發(fā)現(xiàn)的一定程度的分級結(jié)構(gòu)。 鈣離子增塑蠶絲材料已發(fā)展成為電子器件、生物可降解瞬態(tài)電池、光學應變片、壓電式力傳感器等領(lǐng)域的合成塑料替代品，以及一系列應用在健康監(jiān)測方面的可穿戴電極。軟、柔性電極在一系列工業(yè)和應用中迅速成為關(guān)鍵，包括皮膚和植入式電子、腦機接口、可穿戴設備和傳感器、太陽能電池和軟機器人技術(shù)。 【總結(jié)】 蠶絲是來自大自然的可持續(xù)聚合物，不僅為未來許多物質(zhì)需求提供了一個有用的選擇，而且也是可持續(xù)聚合物技術(shù)的一個模型系統(tǒng)。本文綜述的交聯(lián)和塑化技術(shù)為進一步研究化學結(jié)構(gòu)與降解動力學之間的基礎和應用關(guān)系提供了新的機會。因此，對蠶絲的改性與材料穩(wěn)定性、降解壽命和降解產(chǎn)物之間的關(guān)系需要進一步探究，與蠶絲基材料的功能使用壽命和長期可持續(xù)性目標相關(guān)聯(lián)。這種基于蠶絲探索的研究可以為未來聚合物科學和工程的許多領(lǐng)域提供藍圖。 【通訊作者簡介】 Rnjak-Kovacina, J，新南威爾士大學副教授，專研生物醫(yī)學工程領(lǐng)域，在心血管研究方面具有卓越成就，特別是心臟貼片的生物工程，用于治療心臟病發(fā)作后受損的心肌。郵箱為j.rnjak-kovacina@unsw.edu.au。 【文章信息】 Hien A. Tran, Trung Thien Hoang, Anton Maraldo, Thanh Nho Do, David L. Kaplan, Khoon S. Lim, Jelena Rnjak-Kovacina, Emerging silk fibroin materials and their applications: New functionality arising from innovations in silk crosslinking,Materials Today, 2023. 原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.03.027 |
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