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.現代絲綢國家工程實驗室，江蘇 蘇州 215123）

1 絲素蛋白的結構和性能

1.1 組成、結構與制備

根據食物不同的來源，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的蛋白質構成，例如脂類和多糖。蠶絲主要由絲素和絲膠兩種蛋白質組成，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晶區和非結晶區，結晶結構主要分為兩類：Silk I和Silk II結構。Silk I結構是介于α-螺旋與β-折疊的一種水溶性狀態；Silk II是具有反平行的β-折疊結構，與Silk I相比，分子排列更整齊，穩定性更好。

絲素蛋白的二級結構主要分為無規卷曲結構、α-螺旋結構和β-折疊結構。無規卷曲和α-螺旋結構是水溶性的，結構穩定性較差，可在外界條件的作用下轉換成不同的二級結構，而β-折疊結構的穩定性較好。絲素蛋白的3種結構在某些外在條件下可以相互轉變，例如濃度、溫度、pH[2]、剪切力或拉伸應力、金屬離子和有機溶劑等。

1.2 生物特性

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

1.2.1 優異的生物相容性

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用證實了其優異的生物相容性。

1.2.2 可調節的生物降解性

生物降解性是生物醫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移離開植入部位，但不一定在體內移動。絲素蛋白不僅是可生物降解的，而且是可生物吸收的，其降解的產物主要為氨基酸，不會通過代謝途徑吸收后產生毒性。

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，蠶絲的特性為開發一系列產品提供了巨大的優勢，但是蠶絲一旦經過水處理，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構發生了變化，調整其二級結構，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-螺旋和無規卷曲兩種二級結構，導致其可溶于水。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）獲得不同的二級結構。隨著結構之間的相互轉化，絲素蛋白可表現出更好的結構完整性和抗水解性能，β-折疊結構賦予其結構穩定性，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

靜電紡絲技術是一種制備微納米級纖維的方法，比起其他制備技術，靜電紡絲有著突出的優勢，比如其操作簡單、成本低、設備容易組裝，可適用于大多數高分子有機聚合物。運用靜電紡絲技術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絡結構等優點，引起了研究人員的廣泛關注。目前，大量天然聚合物、合成聚合物已經被用來配制紡絲液進行靜電紡絲生產微納米級纖維。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。

組織工程支架應該最大限度地模擬細胞外基質（ECM）的組織結構和生物學性能，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，由乙氨酸、丙氨酸、絲氨酸等20多種氨基酸構成，其優異的生物相容性、可調節的生物降解性、無細胞毒性、良好的力學性能以及可加工性，可大量應用于組織工程支架的領域。靜電紡絲素蛋白纖維兼具了絲素蛋白和靜電紡絲的優點，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用研究現狀

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、適當的孔隙率和優異的生物相容性，但常規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構，可模擬原生細胞外基質作為小口徑血管組織工程支架。某學者通過靜電紡絲技術制備具有一定力學性能的絲素蛋白組織工程支架，模擬原生血管結構，并在支架上培養內皮細胞（HAECs）和平滑肌細胞（HCASMCs）。實驗結果證明，細胞在支架上的生長狀態良好。

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，將人類骨髓基質細胞（BMSCs）種植在支架上，觀察細胞的生長情況。SEM和MTT的結果表明，絲素蛋白納米纖維支架支持人類骨髓基質細胞的粘附和增殖。

3.3 神經組織工程支架

神經組織工程是神經損傷修復領域的有效方法之一，神經組織工程支架的關鍵在于其力學性能和生物性能。在靜電紡絲技術中，通過改變高聚物紡絲液的配比參數以及紡絲參數來調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干細胞（NSC）的形態和生長的影響，結果表明，細胞會沿著纖維的方向拉伸和生長，生長狀態良好。

3.4 醫用敷料

由于天然細胞外基質來源有限，以天然細胞外基質為基礎添加人工合成材料制備仿生細胞外基質支架成為研究熱點，不僅保留了天然細胞外基質的結構和功能，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支架中，結果發現，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。某學者制備了一種可注射的膠原-糖胺聚糖（GAG）基質，該基質中含有聚乙烯醇（PVA）-硼酸鹽網絡。通過比較可以得出，聚乙烯醇（PVA）-硼酸鹽網絡的加入可以改善支架的結構和力學性能，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域已經取得了一定成果，但要完全應用于臨床領域還是有一定困難。結合靜電紡絲和絲素蛋白的優點，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學領域將會取得更大的進步和發展。