蠶絲絲膠蛋白水凝膠構建策略及應用

摘要： 水凝膠是由交聯網絡或互穿網絡形成的一種三維材料，具有獨特的溶脹性、生物相容性和高度交聯的空間結構，已被廣泛應用于傷口修復、美容護膚、藥物遞送及生物傳感器等領域。絲膠蛋白是從蠶絲脫膠過程中提取的黏附糖蛋白，具有優異的生物相容性、親水性、抗菌性、抗紫外活性等。文章綜述了采用物理交聯（超聲誘導、真空冷凍干燥、自組裝、反復凍融等）、化學交聯（單一交聯劑、復合交聯劑）、紫外光催化和轉基因功能化方式構建絲膠蛋白水凝膠的策略，并闡明了不同技術制備的絲膠蛋白水凝膠的結構特征和性能特點，及其在組織工程、抗菌敷料、中風治療等方面的應用。

關鍵詞： 絲膠蛋白;水凝膠;交聯;光催化;創面敷料;組織工程

中圖分類號： TS102.33; TQ427.26 文獻標志碼： A

蠶絲是由絲素和絲膠蛋白（Sericin，SS）組成的天然蛋白質纖維。絲膠覆蓋在絲素纖維的表面，起到保護和黏合的作用。絲素蛋白在紡織工業和生物醫用材料中有著廣泛的應用，但絲膠的利用率不高，往往被當作廢物丟棄。由于絲膠降解需氧量高，繅絲廠每年產生的絲膠廢水造成了很大的環境污染［1］。絲膠蛋白是水溶性球狀蛋白，因富含極性氨基酸且空間結構疏松而具有良好的親水性、生物降解性和反應活性，能通過多種制備技術加工成凝膠、薄膜、多孔支架、顆粒和纖維等形式的復合材料［2］。絲膠蛋白還具有抗氧化、抗凝血、降糖及促進細胞增殖和分化等多種生物活性。因此，從廢水中回收絲膠并將其作為生物資源進行開發利用，將產生可觀的社會效益和經濟效益［3］。

水凝膠是由物理相互作用和/或化學交聯的三維聚合物網絡組成的，其交聯可通過一種或多種相互作用發生，如共價鍵、離子鍵、氫鍵、范德華力或疏水作用等［4］。由于聚合物大分子鏈的親水性和獨特的多孔結構，水凝膠具有超高的保水性和溶脹率。水凝膠材料的理化性質可隨著溫度、pH值、光照等因素變化而調節，已被廣泛應用至組織工程、生物醫藥、可穿戴設備、軟電子、制動設備、污水處理等領域［5］。

絲膠蛋白性能優異，可通過自組裝或與交聯劑交聯形成水凝膠。但因絲膠蛋白的二級結構主要呈無規卷曲和α-螺旋構象，內部結晶區較少，純絲膠蛋白水凝膠的機械性能較差，應用受限。將絲膠蛋白與其他聚合物共聚或混合形成復合水凝膠，能顯著改善絲膠蛋白的機械性能［6］，并可附加其他功能，應用領域更廣。本文綜述了采用物理交聯、化學交聯、光催化、轉基因功能化方式構建的絲膠蛋白水凝膠，在傷口敷料、軟骨再生、神經修復、藥物傳遞等方面的應用。

1 物理交聯構建絲膠蛋白水凝膠

物理交聯是通過離子鍵或分子間相互作用（如偶極-偶極、偶極誘導、氫鍵和疏水作用）形成交聯網絡。物理交聯具有可逆性，交聯過程對溫度、pH值或離子強度有響應性。物理交聯水凝膠無需使用有毒化學交聯劑，可為醫療應用提供更安全的解決方案，但因在生理介質中壽命較短，通常適合于藥物釋放等短期應用［7］。采用物理交聯制備絲膠蛋白水凝膠是通過引發絲膠蛋白分子之間聚合生成分子間作用力形成的，主要方法包括超聲波誘導、自組裝、反復凍融、真空冷凍干燥等。

1.1 超聲波誘導交聯絲膠蛋白水凝膠

超聲誘導交聯是一種簡便的、無需添加劑的交聯方式，具有加速反應進程、降低反應損耗能量等特性。該方法在時間可控的情況下加速溶膠-凝膠的轉變，通過改變蛋白質分子鏈的疏水水合作用誘導物理β-折疊交聯，凝膠時間可以根據超聲參數（輸出功率和持續時間）及材料濃度控制［8］。超聲波在溶液中會產生聲空化現象，作用于水溶液中的絲膠蛋白分子，使分子間發生較劇烈碰撞，重排形成更穩定有序的空間結構，從而獲得不溶于水的穩定凝膠網絡結構。制備的絲膠水凝膠具有高光學透明度、可注射性、高彈性、pH值依賴性降解和高孔隙率等特點［9］。對這種凝膠模式的另一種解釋是，超聲波振動會導致凝膠網絡中物理交聯的發展，加速蛋白質從溶液到凝膠的轉變［10-11］。超聲誘導制備的絲膠蛋白水凝膠具有優異的細胞黏附性，可有效促進細胞附著、增殖和長期存活，并能持續遞送生物活性分子，與宿主細胞和生物活性分子兼容［9］。

超聲波誘導既可以制備純絲膠蛋白水凝膠，也能構建絲膠復合水凝膠。如Du等［12］將肝素溶液加入絲膠溶液中，經過超聲處理形成絲膠/肝素復合凝膠前體溶液，再加入堿性成纖維細胞生長因子（Basic Fibroblast Growth Factor，bFGF），室溫靜置后獲得裝載功能因子的絲膠/肝素復合水凝膠（圖1），更有利于促進傷口愈合。超聲波交聯不僅可控制絲膠蛋白凝膠化時間，而且無需使用生物毒性交聯試劑，有利于提高絲膠水凝膠的生物相容性，可直接用于活細胞包埋。

1.2 真空冷凍干燥形成絲膠蛋白凝膠

真空冷凍干燥是利用升華原理使冷凍材料脫水的一種干燥技術，是制備絲膠蛋白凝膠的重要方法。如瓊脂糖分子在響應環境溫度變化時容易通過物理交聯形成穩定而牢固的空間網絡結構，將絲膠蛋白與瓊脂糖混合后經真空冷凍干燥，可以制備互穿網絡的絲膠復合凝膠（圖2）。絲膠/瓊脂糖復合凝膠由絲膠蛋白網絡、瓊脂糖分子網絡及氫鍵連接形成的絲膠-瓊脂糖交叉網絡組成。凝膠中絲膠蛋白和瓊脂糖的主鏈結構并沒有發生變化，氫鍵作用使絲膠蛋白的結構從無規卷曲向β-折疊轉變，凝膠具有更好的力學性能和形態穩定性［13］。將天然抗菌劑溶菌酶裝載至絲膠/瓊脂糖凝膠中，帶正電的溶菌酶能與帶負電的絲膠蛋白發生靜電吸附，溶菌酶與絲膠蛋白之間特殊的親疏水作用也能增強溶菌酶的吸附。凝膠持續釋放溶菌酶，可保持優異的抗菌活性，有望成為傷口敷料的替代品［14］。

以甘油作為增塑劑，將羧甲基纖維素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）與絲膠蛋白溶液共混均勻并冷凍干燥，可以顯著改善水凝膠的機械性能。該復合凝膠呈三維多孔結構，具有高度膨脹性和孔隙度。將CMC-絲膠蛋白復合水凝膠用于糖尿病傷口處理的敷料時，凝膠的多孔結構不僅能吸收傷口滲出液，還能促進血管生成，增強真皮細胞的黏附和增殖，顯著促進糖尿病傷口愈合，無需胰島素治療［15］。

1.3 自組裝制備絲膠蛋白水凝膠

蠶繭粉碎后在高溫高壓下經熱水處理，并濾去不溶物后的純絲膠蛋白溶液無需引入其他物質，通過自組裝也可形成絲膠蛋白水凝膠。膠凝時間隨著絲膠蛋白濃度的增加而減少，高濃度的絲膠水溶液會加速絲膠分子鏈的相互作用，促使絲膠蛋白展開并快速結合，最終形成有組織的凝膠網絡［16］。溶液中絲膠蛋白多數呈現無規卷曲二級結構，能量高、穩定性差，在較低溫度條件下，不穩定的無規卷曲可轉變為穩定的β-折疊結構，因此低溫可以加速凝膠形成。此外，側鏈羧基的質子化在決定凝膠化速率方面起主導作用，當溶液pH值低于絲膠等電點時，羧基被中和，絲膠的親水性降低，電荷斥力降低，促進絲膠蛋白的疏水相互作用，從而產生更多的物理交聯和更快的凝膠化過程。自組裝制備水凝膠，與化學交聯技術相比，具有反應條件溫和、膠凝過程可控的優點，并且只需將絲膠蛋白溶液保持在生物潔凈的環境下，即可獲得無菌絲膠蛋白水凝膠，無需再滅菌消毒。該類水凝膠具有高孔隙率、高降解性和優異的細胞黏附能力，適合作為細胞或生物活性分子的載體，可促進細胞的生長和活性藥物的持續釋放［17］。

然而，采用自組裝方式制備的絲膠水凝膠，在自然條件下多孔的特性是不可控制的。為此，Tao等［18］配合冷凍干燥技術制備了孔徑可調節的多孔凝膠材料，并通過在凝膠表面進一步構建交替排列的聚二甲基二烯丙基氯化銨-聚丙烯酸聚電解質膜，促進銀納米顆粒在絲膠凝膠表面原位高密度生長，實現長效抗菌活性。

1.4 反復凍融構建絲膠蛋白水凝膠

采用凍融工藝制備多孔水凝膠既安全有效又簡單經濟。將絲膠蛋白與聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）共混后在-80 ℃下反復冷凍解凍，能形成穩定的絲膠/PVA水凝膠。PVA具有優異的強度和柔韌性，能顯著增強水凝膠的機械性能［19］。絲膠/PVA水凝膠不僅具有優異的力學性能、高孔隙膨脹比、良好的親水性和熱穩定性，同時具備裝載和釋放小分子藥物及納米顆粒的能力，可作為一種藥物傳遞載體。在裝載慶大霉素后，凝膠可通過藥物的緩慢釋放抑制細菌生長，預防傷口感染并促進傷口愈合［20］。在治療糖尿病傷口時，絲膠/PVA水凝膠通過與其他功能性物質（如榕樹提取物、洋蔥提取物等）的結合，可顯著升高血清抗炎細胞因子和組織抑制劑金屬蛋白酶水平，同時降低促炎因子和基質金屬蛋白酶水平，表現出良好的組織再生性能，可作為糖尿病創面藥物治療的有效載體［19］。

1.5 乙醇誘導絲膠蛋白凝膠化

純乙醇本身并不誘導絲膠蛋白的結晶或凝膠化，但水溶液中的乙醇會影響絲膠蛋白大分子間的氫鍵作用，進而影響絲膠的凝膠化過程及凝膠的性質。乙醇對絲膠蛋白的凝膠化既有積極的作用，也有消極的影響，主要取決于乙醇的質量分數。當絲膠蛋白溶液中乙醇質量分數達到15%時，絲膠蛋白凝膠化速度顯著加快，凝膠的機械強度也增加，但繼續增加乙醇質量分數，絲膠蛋白的凝膠強度明顯降低;當乙醇質量分數增加到35%（即含水量小于65%），絲膠蛋白不會發生凝膠化。適量的乙醇（15%）會與水溶液中的絲膠蛋白爭奪水分，促進絲膠蛋白大分子結構的規整化，因此有利于凝膠化過程。

但乙醇質量分數過高（超過35%）意味著含水量下降，絲膠蛋白分子間氫鍵作用減弱，難以形成凝膠［21］。采用乙醇促進絲膠蛋白凝膠的方式簡單易行，且不經任何化學修飾，形成的凝膠具有片狀網絡結構，通過拉伸能進一步增強彈性，適合用作關節等運動部位的傷口敷料［22］。

2 化學交聯制備絲膠蛋白水凝膠

采用物理交聯制備的絲膠蛋白水凝膠無需添加化學交聯劑，但凝膠的彈性模量低、穩定性較差。利用化學交聯劑形成穩定的共價鍵，不僅能使溶液中絲膠蛋白分子間形成穩定的網絡結構，提高凝膠的機械性質，也能將絲膠蛋白與其他組分材料共混制成多功能復合水凝膠，應用范圍更廣。常用于絲膠蛋白凝膠化的交聯劑有京尼平、戊二醛、過氧化物酶等。

2.1 京尼平交聯絲膠蛋白水凝膠

京尼平是從梔子干果中提取的主要生物活性化合物之一，是一種天然、有效、無毒的交聯劑［23］。京尼平分子具有獨特的隱形雙醛結構，可以與含有伯胺基殘基的氨基酸（如賴氨酸、羥賴氨酸或精氨酸等）或蛋白質交聯。京尼平交聯絲膠蛋白形成水凝膠的反應原理如圖3［25］所示，絲膠蛋白中含有豐富的絲氨酸、蘇氨酸、天冬氨酸和甘氨酸，這些氨基酸中的伯胺親核攻擊京尼平的雙氫吡喃環，引起開環反應，形成醛基和仲酰胺，實現絲膠蛋白的交聯和凝膠化。在絲膠與京尼平的交聯顯色反應過程中，顏色由透明的黃色變為綠色，再變為天藍色，最后變為深藍色，顏色的深淺取決于反應時間和京尼平濃度［24］。因京尼平交聯的絲膠蛋白凝膠呈現較深的藍色，透光性低，不適宜用作可視化生物材料。

絲膠蛋白具有神經營養和神經保護功能，可以促進神經軸突的擴展和分支，防止神經元因缺氧和低糖引起的死亡［25］。將絲膠蛋白溶液與京尼平共混，制備具有多孔結構和溫和膨脹比的純絲膠蛋白水凝膠，不僅在體外支持神經元的有效黏附和生長，將凝膠移植到體內時，也表現出高細胞存活率并促進細胞持續增殖，證明絲膠水凝膠可作為潛在的神經細胞輸送工具用于缺血性腦卒修復［25］。此外，Song等［26］首次報道了絲膠蛋白/京尼平混合交聯凝膠用于體內缺血性心肌修復的有效治療，通過體內原位構建絲膠蛋白水凝膠注入心肌梗死區，可減少瘢痕形成和梗死面積，增加壁厚和新生血管，抑制心肌梗死誘導的炎癥反應和細胞凋亡，顯著改善心肌功能。

除純絲膠蛋白凝膠外，京尼平也能用于絲膠蛋白復合凝膠交聯。Sapru等［27］采用京尼平交聯絲膠蛋白/殼聚糖共混水凝膠，用于人角質形成細胞和真皮成纖維細胞的共培養，以形成角質細胞（真皮上層）和成纖維細胞（真皮下層）雙層結構，模擬自然皮膚組織，創建人工表皮和真皮層。研究表明，絲膠/殼聚糖復合水凝膠體外能增強皮膚細胞的黏附、增殖和遷移，促使膠原Ⅳ和基質金屬蛋白酶的合成;植入體內能促使膠原蛋白密集堆積和成熟血管形成，且無炎癥，有效支持皮膚組織的再生和修復［28］。Wang等［29］制備了一種可注射、形狀記憶的碳納米管摻雜絲膠蛋白凝膠支架用于中風治療，可將骨髓間充質干細胞輸送到腦組織中，并功能性地促進其神經元分化。Sapru等［30］用京尼平交聯制備絲膠蛋白/殼聚糖/糖胺聚糖復合凝膠模擬皮膚自然結構，在水凝膠中引入血管內

皮生長因子和轉化生長因子-β，為促進皮膚組織修復提供適當的物理環境和生物線索。為進一步增強絲膠蛋白水凝膠的抗菌性能，Moise等［31］以京尼平為交聯劑構建孔隙相互聯通的絲膠/聚乙烯醇/阿奇霉素復合水凝膠，阿奇霉素的引入提高了水凝膠對金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、大腸桿菌和白色念珠菌的抗菌性能，該抗菌復合水凝膠在預防感染和促進燒傷創面愈合方面具有很大的潛力。

2.2 過氧化物酶催化交聯絲膠蛋白水凝膠

過氧化物酶是一種相對無害的交聯劑，酶催化反應處理條件溫和，如低溫、接近中性環境、無需添加其他有毒化學物質等。辣根過氧化物酶（Horse Radish Peroxidase，HRP）是一種氧化還原酶，在過氧化氫（H2O2）的存在下，可以催化氧化酚類或乙烯基單體自由基聚合。絲膠蛋白中含有酪氨酸殘基，酪氨酸作為一種含酚羥基的芳香族極性氨基酸，在HRP-H2O2體系的催化作用下，酪氨酸殘基上的酚羥基會被氧化產生酚氧自由基，并與附加的乙烯基單體接枝共聚，實現絲膠蛋白分子的交聯，反應機理如圖4［32-33］所示。

采用HRP-H2O2催化體系制備的高光學透明絲膠蛋白/聚丙烯酰胺互穿網絡水凝膠，具有較高的孔隙率。通過改變絲膠含量可以靈活調節凝膠的膨脹行為、降解動力學和機械強度。該水凝膠體系還具有優異的細胞黏附能力，能有效促進細胞增殖和長期存活，可作為可視化敷料實時監測傷口［34］。在HRP和H2O2的催化下也可將聚乙二醇二甲基丙烯酸酯接枝聚合到絲膠蛋白分子鏈上，構建聚乙二醇二甲基丙烯酸酯改性絲膠復合凝膠。改性后絲膠蛋白凝膠具有較好的成形性、優異的力學性能、高孔隙率和膨脹率，還具有良好的細胞相容性和持續穩定的藥物釋放行為［35］。

2.3 戊二醛交聯絲膠蛋白水凝膠

戊二醛兩端的羰基較活潑，可與絲膠中的賴氨酸、組氨酸、精氨酸殘基中的氨基或亞氨基發生反應，形成穩定的亞胺結構，從而交聯絲膠大分子［36］。采用戊二醛共價交聯絲膠蛋白能快速凝膠，并可通過改變絲膠濃度和戊二醛用量來調控交聯度，進而微調與交聯度相關的機械強度、彈性和孔隙率等

性能。戊二醛交聯的絲膠水凝膠具有良好的彈性、高孔隙率和發光特性，可用作生物成像和體內跟蹤或作為細胞和治療藥物的遞送載體，但戊二醛本身具有一定細胞毒性，在用作組織工程材料時殘留的戊二醛不利于細胞的生長［37］。除此之外，以戊二醛為交聯劑，通過浸漬法將聚N-異丙基丙烯酰胺/絲膠互穿網絡水凝膠用于棉織物的改性整理，能有效改善棉織物的熱穩定性和力學性能［38］。

2.4 水合硅酸鋰鎂交聯絲膠蛋白水凝膠

水合硅酸鋰鎂可交聯絲膠蛋白和N-異丙基丙烯酰胺，形成半互穿網絡結構的納米復合水凝膠。由于絲膠親水性強，能增加凝膠內部孔隙大小，復合凝膠的截面形態表現出從蜂窩到層狀結構的轉變。該凝膠應用于創面時，包埋在納米復合水凝膠中的大分子絲膠可通過電荷作用吸附細菌，從水凝膠中解離出來的小分子絲膠可穿透細菌細胞膜并吸附細胞內的陰離子物質，實現有效抗菌，可作為理想的創面敷料材料［39］。

2.5 復合交聯劑構建絲膠蛋白復合凝膠

除以上單交聯劑外，還可利用復合交聯劑制備水凝膠以獲得應用適配度更高的絲膠凝膠材料，如Robles等［40］用三（2，20-聯吡啶）二氯六水釕和過硫酸鈉作為光引發劑交聯聚乙烯醇-絲膠蛋白/明膠水凝膠，這種高模量的水凝膠可作為體內神經組織再生的細胞培養平臺，支持神經元網絡的發育。Han等［41］采用碳酸鈣、葡萄糖酸δ-內酯雙交聯海藻酸鈉/絲膠蛋白多孔水凝膠，葡萄糖酸δ-內酯促進碳酸鈣中的Ca2+持續釋放，使海藻酸鈉完全交聯形成第一個網絡;絲膠蛋白因吸水而膨脹，其構象由無規卷曲轉變為β-折疊結構，側鏈親水基團與水分子形成氫鍵，形成網狀結構，絲膠蛋白豐富的氨

基、羥基等親水極性基團與海藻酸鈉的游離羥基和羧基形成氫鍵，形成第二網絡（圖5）。該支架用于軟骨損傷的原位修復時，其三維多孔結構更接近軟骨損傷修復微環境，有利于系統內細胞遷移和養分循環。同時可通過改變絲膠蛋白的含量來調節水凝膠的降解速率，使其與軟骨再生速度相匹配，有望應用于臨床軟骨修復微創手術。利用鈣離子將絲膠蛋白與海藻酸鈉交聯，形成半互穿的海藻酸鈉/絲膠網絡凝膠后，還可以進一步利用絲膠中酪氨酸的酚羥基還原陰離子，原位合成銀納米顆粒。制備的復合凝膠通過銀納米粒子不可逆地破壞細菌膜結構導致細菌裂解和死亡，表現出有效的抗菌活性，并促進創面愈合，可用于傷口促愈敷料［42］。

以N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，過硫酸銨為自由基引發劑，四甲基乙二胺為催化劑，通過自由基聚合反應可制備絲膠蛋白-聚丙烯酰胺半互穿網絡復合水凝膠。該復合水凝膠的凝膠時間、微結構、溶脹率、平衡含水量、抗壓強度和體外降解速率可通過改變絲膠蛋白濃度進行調節。凝膠中相互連接的三維親水網絡能支持成纖維細胞的生長，擴散營養物質、治療藥物和傷口滲出液，并保持適當的潮濕環境。因此，該復合水凝膠在組織工程、治療遞送和其他生物醫學方面具有潛在的應用前景［43］。

無論使用單一或是復合交聯劑都能有效提升絲膠蛋白水凝膠的穩定性和機械性能，但大多交聯劑存在一定毒性。為保障凝膠的應用，應優先選擇毒性低、殘留少或易清除的交聯劑，同時需對交聯劑的殘余及水凝膠的細胞毒性進行評估。利用復合交聯劑構建絲膠蛋白復合凝膠，達到最佳利用目的是目前較為廣泛的凝膠構建策略。

3 紫外光催化交聯絲膠蛋白水凝膠

紫外光誘導催化可促使絲膠蛋白的二級結構向更穩定的β-折疊結構過渡。凝膠前驅溶液在紫外線的照射下會產生活性自由基或陽離子，引發預聚體的連鎖聚合、交聯化學反應，形成凝膠網絡［44］。由于絲膠蛋白的提取方法苛刻（高溫和堿性）及低分子量肽的存在，難以直接光交聯成水凝膠，適當的化學功能化處理可賦予絲膠蛋白光交聯特性。如Qi等［45］將甲基丙烯酸基團引入到絲膠蛋白側鏈基團（胺和羥基）上，在紫外光照射下，絲膠-甲基丙烯酰溶液通過甲基丙烯酰基團的光聚合快速原位交聯形成水凝膠。通過改變甲基丙烯酰取代度，可快速調整水凝膠的網絡密度、降解速率和力學性能。絲膠蛋白與其他聚合物在交聯劑作用下構建的復合水凝膠會帶有新的理化性質，但這可能需要犧牲絲膠的部分生物活性，采用光交聯方式制備的絲膠水凝膠可最大程度地保留絲膠蛋白的特性。

紫外光交聯配合3D打印技術，可用于定制大孔結構的絲膠基水凝膠支架，有利于保持傷口愈合所需的濕潤潔凈環境。如先將甲基丙烯酸酯基團結合到明膠的含胺側基上，制成光敏性明膠，再將絲膠/光敏明膠混合物作為生物墨水裝入注射器中，在紫外線照射下以一層一層的方式打印多孔基質;快速固化的基質通過乙醇浸泡，可獲得更穩定、機械強度更高的結構，以構建空間互穿聚合物網絡，制得三維透明的水凝膠支架。這種大孔結構的絲膠基水凝膠具有透明性好、溶脹率高、降解可控、生物相容性好等特點，是可視化創面護理的理想選擇［46］。

4 轉基因功能化絲膠蛋白水凝膠

將絲膠蛋白與其他聚合物或功能蛋白共混制備水凝膠，可以提高凝膠的機械性能并擴展生物功能，但與絲膠共混的聚合物本身的局限性也會阻礙絲膠基生物凝膠的應用。基于此，有研究者提出從源頭上改變絲膠蛋白性能的策略，利用轉基因技術在蠶的絲腺中特異性合成功能重組蛋白，并紡成蠶絲的絲膠蛋白層，提取的絲膠蛋白可制成外源蛋白功能化的絲膠水凝膠［47］。例如在轉基因蠶的絲腺中合成重組人酸性成纖維細胞生長因子（FGF1），紡絲結繭時能有效保留FGF1的生物活性（圖6）［48］。用化學性質溫和的尿素來提取蠶繭中經轉基因功能化的絲膠蛋白，并于4 ℃冷環境下誘導形成可注射水凝膠，其中的FGF1能持續釋放，促進細胞增殖和傷口愈合，同時水凝膠的生物相容性能支持細胞的黏附和增殖。將功能蛋白的編碼基因導入家蠶基因組中的方式，可以方便且經濟地制備具有多種生物特性的功能化絲膠蛋白材料，并且能戰略性地避免從外部添加功能性蛋白產生的風險。

5 結 論

絲膠蛋白具有豐富的開發價值和開發需求，適合于新型材料相關的生物醫藥領域。絲膠蛋白水凝膠具有優良的生物相容性、豐富的化學修飾位點、高度的親水性和可控的降解性，已被廣泛應用于皮膚創面敷料、軟骨再生、神經修復、功能藥物遞送等方面。采用物理方法（如超聲波誘導、自組裝、真空冷凍干燥、乙醇誘導凝膠及反復凍融等）可制備純絲膠蛋白凝膠，安全無毒，但凝膠的機械性能較差，多孔結構也難以調控。使用化學交聯劑不僅能制備純絲膠蛋白水凝膠，也能構建絲膠蛋白與其他物質的復合水凝膠，凝膠的機械性能提升，結構可控，并能疊加其他材料的優異性能，但用于生物醫用材料時需充分考慮交聯劑的毒副作用。紫外交聯配合3D打印技術是有效的絲膠蛋白水凝膠構建方式，既能保持絲膠蛋白的特性，還可調控凝膠的結構及性能。轉基因功能化方式能安全方便地賦予絲膠蛋白多種生物功能。無論采用何種策略構建絲膠蛋白水凝膠，其應用和發展主要從改善凝膠機械性能、避免化學交聯劑毒性影響、挖掘凝膠材料新功能等方向發展，以獲取更大的應用價值。

參考文獻：

［1］HU D D， LI T D， LIANG W A， et al. Silk sericin as building blocks of bioactive materials for advanced therapeutics［J］. Journal of Controlled Release， 2023（353）： 303-316.

［2］ARITRA K D， BARI A， SOUMIL D， et al. Sericin nanoparticles： Future nanocarrier for target-specific delivery of chemotherapeutic drugs［J］. Journal of Molecular Liquids， 2022（368）： 120717.

［3］PARK C J， RYOO J， KI C S， et al. Effect of molecular weight on the structure and mechanical properties of silk sericin gel， film， and sponge［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2018（119）： 821-832.

［4］CAROLINE S， DANIELE B， CARLOS S M G， et al. Evaluation of different covalent crosslinking agents into valsartan-loaded sericin and alginate particles for modified release［J］. Powder Technology， 2021（390）： 240-255.

［5］LIU J， WANG W B， LI H， et al. Recent progress in fabrications， properties and applications of multifunctional conductive hydrogels［J］. European Polymer Journal， 2024（208）： 112895.

［6］JO Y N， PARK B D， UM I C. Effect of storage and drying temperature on the gelation behavior and structural characteristics of sericin［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2015（81）： 936-941.

［7］RAMOS E B， DIAS P I， MARIA M A， et al. A review of the strategies used to produce different networks in cellulose-based hydrogels［J］. Materials Today Chemistry， 2023（34）： 101803.

［8］WANG X Q， KLUGE J A， LEISK G G， et al. Sonication-induced gelation of silk fibroin for cell encapsulation［J］. Biomaterials， 2008， 29（8）： 1054-1064.

［9］ZHANG Y S， JIANG R L， FANG A， et al. A highly transparent， elastic， injectable sericin hydrogel induced by ultrasound［J］. Polymer Testing， 2019（77）： 105890.

［10］VU T， XUE Y， VUONG T， et al. Comparative study of ultrasonication-induced and naturally self-assembled silk fibroin-wool keratin hydrogel biomaterials［J］. International Journal of Molecular Sciences， 2016， 17（9）： 1497.

［11］CHU W H， WANG P， MA Z， et al. Lupeol-loaded chitosan-Ag+ nanoparticle/sericin hydrogel accelerates wound healing and effectively inhibits bacterial infection［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2023（243）： 125310.

［12］DU P， DIAO L， LU Y C， et al. Heparin-based sericin hydrogel-encapsulated basic fibroblast growth factor for in vitro and in vivo skin repair［J］. Heliyon， 2023， 9（3）： e13554.

［13］WANG Y C， WANG F， WANG R Y， et al. Human-derived cytokine functionalized sericin/agarose composite gel material with cell proliferation-promoting activity fabricated using genetically engineered silk for medical application［J］. Materials amp; Design， 2022（224）： 111362.

［14］YANG M R， WANG Y J， TAO G， et al. Fabrication of sericin/agrose gel loaded lysozyme and its potential in wound dressing application［J］. Nanomaterials （Basel， Switzerland）， 2018， 8（4）： 235.

［15］ELSAMAD L M， HASSAN M A， BASHA A A， et al. Carboxymethyl cellulose/sericin-based hydrogels with intrinsic antibacterial， antioxidant， and anti-inflammatory properties promote re-epithelization of diabetic wounds in rats［J］. International Journal of Pharmaceutics， 2022（629）： 122328.

［16］KIM U J， PARK J， LI C M， et al. Structure and properties of silk hydrogels［J］. Biomacromolecules， 2004， 5（3）： 786-792.

［17］ZHANG Y S， ZHAO Y Y， HE X B， et al. A sterile self-assembled sericin hydrogel via a simple two-step process［J］. Polymer Testing， 2019（80）： 106016.

［18］TAO G， WANG Y J， LIU L N， et al. Preparation and characterization of silver nanoparticles composited on polyelectrolyte film coated sericin gel for enhanced antibacterial application［J］. Science of Advanced Materials， 2016， 8（8）： 1547-1552.

［19］SAMIA Z， MUHAMMAD T H， SHAKAT A， et al. Diabetic wound healing potential of silk sericin protein based hydrogels enriched with plant extracts［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2023（242）： 125184.

［20］TAO G， WANG Y J， CAI R， et al. Design and performance of sericin/poly（vinyl alcohol） hydrogel as a drug delivery carrier for potential wound dressing application［J］. Materials Science amp; Engineering C， 2019（101）： 341-351.

［21］JANG M J， UM I C. Effect of sericin concentration and ethanol content on gelation behavior， rheological properties， and sponge characteristics of silk sericin［J］. European Polymer Journal， 2017（93）： 761-774.

［22］TERAMOTO H， KAMEDA T， TAMADA Y. Preparation of gel film from Bombyx mori silk sericin and its characterization as a wound dressing［J］. Bioscience， Biotechnology， and Biochemistry， 2008， 72（12）： 3189-3196.

［23］RIZWAN A， NOOR U A H， WANG M W， et al. Genipin， a natural blue colorant precursor： Source， extraction， properties， and applications［J］. Food Chemistry， 2024（434）： 137498.

［24］ZHANG Q S， WANG X Z， MU Q F， et al. Genipin-cross-linked silk sericin/poly（N-isopropylacrylamide） IPN hydrogels： Color reaction between silk sericin and genipin， pore shape and thermo-responsibility［J］. Materials Chemistry and Physics， 2015（166）： 133-143.

［25］WANG Z， WANG J， JIN Y， et al. A neuroprotective sericin hydrogel as an effective neuronal cell carrier for the repair of ischemic stroke［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2015， 7（44）： 24629-24640.

［26］SONG Y， ZHANG C， ZHANG J X， et al. An injectable silk sericin hydrogel promotes cardiac functional recovery after ischemic myocardial infarction［J］. Acta Biomaterialia， 2016（41）： 210-223.

［27］SAPRU S， GHOSH A K， KUNDU S C. Non-immunogenic， porous and antibacterial chitosan and Antheraea mylitta silk sericin hydrogels as potential dermal substitute［J］. Carbohydrate Polymers， 2017（167）： 196-209.

［28］SAPRU S， DAS S， MANDAL M， et al. Nonmulberry silk protein sericin blend hydrogels for skin tissue regeneration-in vitro and in vivo［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2019（37）： 545-553.

［29］WANG J， LI X L， SONG Y， et al. Injectable silk sericin scaffolds with programmable shape-memory property and neuro-differentiation-promoting activity for individualized brain repair of severe ischemic stroke［J］. Bioactive Materials， 2021， 6（7）： 1988-1999.

［30］SAPRU S， DAS S， MANDAL M， et al. Sericin-chitosan-glycosaminoglycans hydrogels incorporated with growth factors for in vitro and in vivo skin repair［J］. Carbohydrate Polymers， 2021（258）： 117717.

［31］MOISE B B， LALLEPAK L， AHMED Q A A， et al. Antibacterial silk sericin/poly （vinyl alcohol） hydrogel with antifungal property for potential infected large burn wound healing： Systemic evaluation［J］. Smart Materials in Medicine， 2023（4）： 37-58.

［32］胡浩然， 何敏， 王平， 等. HRP酶促絲膠自交聯及其膜材料的制備［J］. 絲綢， 2020， 57（2）： 1-5.

HU H R， HE M， WANG P， et al. HRP-catalyzed crosslinking of silk sericin and preparation of its membrane material［J］. Journal of Silk， 2020， 57（2）： 1-5.

［33］FELIX L， HERNANDEZ J， ARGUELLES-MONAL W， et al. Kinetics of gelation and thermal sensitivity of N-isobutyryl chitosan hydrogels［J］. Biomacromolecules， 2005， 6（5）： 2408-2415.

［34］ZHANG Y S， CHEN H G， LI Y L， et al. A transparent sericin-polyacrylamide interpenetrating network hydrogel as visualized dressing material［J］. Polymer Testing， 2020（87）： 106517.

［35］HU H R， WANG L， XU B， et al. Construction of a composite hydrogel of silk sericin via horseradish peroxidase-catalyzed graft polymerization of poly-PEGDMA［J］. Journal of Biomedical Materials Research Part B： Applied Biomaterials， 2020， 108（6）： 2643-2655.

［36］謝瑞娟， 李明忠， 謝承燕. 絲膠蛋白膜的制備［J］. 紡織學報， 2002， 23（4）： 5-6.

XIE R J， LI M Z， XIE C Y. Preparation of sericin membranes［J］. Journal of Textile Research， 2002， 23（4）： 5-6.

［37］WANG Z， ZHANG Y S， ZHANG J X， et al. Exploring natural silk protein sericin for regenerative medicine： An injectable， photoluminescent， cell-adhesive 3D hydrogel［J］. Scientific Reports， 2014， 4（1）： 7064.

［38］MANDAK B B， GHOSH B， KUNDU S C. Non-mulberry silk sericin/poly （vinyl alcohol） hydrogel matrices for potential biotechnological applications［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2011， 49（2）： 125-133.

［39］YANG C C， XUE R， ZHANG Q S， et al. Nanoclay cross-linked semi-IPN silk sericin/poly （NIPAm/LMSH） nanocomposite hydrogel： An outstanding antibacterial wound dressing［J］. Materials Science amp; Engineering C， 2017（81）： 303-313.

［40］AREGUETA-ROBLES U A， MARTENS P J， POOLE-WARREN L A， et al. Tissue engineered hydrogels supporting 3D neural networks［J］. Acta Biomaterialia， 2019（95）： 269-284.

［41］HAN L L， WANG W W， CHEN Z M， et al. Sericin-reinforced dual-crosslinked hydrogel for cartilage defect repair［J］. Colloids and Surfaces B： Biointerfaces， 2023（222）： 113061.

［42］TAO G， CAI R， WANG Y J， et al. Fabrication of antibacterial sericin based hydrogel as an injectable and mouldable wound dressing［J］. Materials Science amp; Engineering C， 2021（119）： 111597.

［43］KUNDU B， KUNDU S C. Silk sericin/polyacrylamide in situ forming hydrogels for dermal reconstruction［J］. Biomaterials， 2012， 33（30）： 7456-7467.

［44］XIAO W Q， LI J L， QU X H， et al. Cell-laden interpenetrating network hydrogels formed from methacrylated gelatin and silk fibroin via a combination of sonication and photocrosslinking approaches［J］. Materials Science amp; Engineering C， 2019（99）： 57-67.

［45］QI C， LIU J， JIN Y， et al. Photo-crosslinkable， injectable sericin hydrogel as 3D biomimetic extracellular matrix for minimally invasive repairing cartilage［J］. Biomaterials， 2018（163）： 89-104.

［46］CHEN C S， ZENG F， XIAO X， et al. Three-dimensionally printed silk-sericin-based hydrogel scaffold： A promising visualized dressing material for real-time monitoring of wounds［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2018， 10（40）： 33879-33890.

［47］WANG F， XU H F， WANG Y C， et al. Advanced silk material spun by a transgenic silkworm promotes cell proliferation for biomedical application［J］. Acta Biomaterialia， 2014， 10（12）： 4947-4955.

［48］WANG F， WANG Y C， TIAN C， et al. Fabrication of the FGF1-functionalized sericin hydrogels with cell proliferation activity for biomedical application using genetically engineered Bombyx mori （B.mori） silk［J］. Acta Biomaterialia， 2018（79）： 239-252.

Construction strategy and application of silk sericin hydrogels

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

MA Wei1， NIU Jinbao1， QI Shiyu1， LONG Tingjun1， DU Juncheng1， QU Jing1，2

（1.School of Textile Garment and Design， Changshu Institute of Technology， Suzhou 215500， China; 2.Key Laboratory ofTextile Industry for Silk Products in Medical and Health Use， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract： Sericin， a by-product of silk production， has good hydrophilicity， biodegradability and reactivity because of the rich polar amino acids and loose spatial structure. Sericin also has many biological activities such as anti-oxidation， anti-coagulation， hypoglycemic and promoting cell proliferation and differentiation. Sericin hydrogels formed by self-assembly or crosslinking agent have multiple advantages and are widely used in tissue engineering， wound repair， drug release and other fields. The construction strategies of sericin hydrogels include physical methods， chemical crosslinking， ultraviolet photocatalysis and transgenic functional modification.

Physical methods are used to construct sericin hydrogels mainly by triggering the polymerization of sericin molecules to generate intermolecular forces to form cross-linked networks. Inducing sericin hydrogels with ultrasound is to use the ultrasonic cavitation phenomenon in solution to act on sericin molecules in aqueous solution， cause a more violent collision between molecules and form a more stable and orderly spatial structure by rearrangement， so as to obtain a stable gel network structure insoluble in water. Vacuum freeze-drying technology facilitates the physical cross-linking to form a stable and firm spatial network structure using the characteristics of molecular response to ambient temperature changes. Sericin hydrogels prepared by high temperature， high pressure and self-assembly method have the advantages of mild reaction conditions and controllable gelation process. Repeated freezing and thawing is a safe and effective method for preparing porous gels. The obtained sericin hydrogels not only have excellent mechanical properties， high pore expansion ratio， good hydrophilicity and thermal stability， but the ability to load and release small molecule drugs and nanoparticles. In addition， adding an appropriate concentration of ethanol （15%） to the sericin solution can accelerate the gelation process of sericin and enhance the mechanical properties of the gel.

Chemical crosslinking promotes the formation of stable covalent bonds between sericin molecules， and enables sericin in solution to form a network structure and gelatinize， which can not only improve the mechanical properties of sericin hydrogels， but also make sericin and other component materials mixed into a multi-functional composite network structure of hydrogels. The stable pure sericin hydrogel or sericin complex gel that can be effectively constructed by using single crosslinking agents such as genipin， peroxidase and glutaraldehyde or compound crosslinking agents has been widely used in ischemic myocardial repair therapy， skin tissue regeneration and repair， tissue engineering scaffolds， drug delivery carriers， supporting neuronal network development， and improving the thermal stability and mechanical properties of cotton fabrics. When chemical agents are used to cross-link sericin hydrogels， the crosslinkers with low toxicity， few residues or easy removal should be preferentially selected， and the cytotoxicity of hydrogels should be evaluated to ensure the further application of hydrogels.

In addition to physical and chemical crosslinking methods， sericin hydrogels can also constructed by means of ultraviolet photocatalytic crosslinking and transgenic functional modification. UV light can induce free radical polymerization and construct in situ cross-linked transparent porous sericin-based hydrogels. With the use of 3D printing technology， sericin-based hydrogel scaffolds with large pore structure can be customized， which is conducive to maintaining the wet and clean environment required for wound healing， and is an ideal choice for visual wound care. By introducing the coding genes of functional proteins into the genome of silkworms and spinning into the sericin layer of silk， sericin biomaterials with various biological functions can be prepared conveniently and economically， which strategically avoids sourcing and safety risks from exogenously added functional proteins during materials fabrication.

Sericin hydrogels have excellent histocompatibility， abundant chemical modification sites， high hydrophilicity and controllable degradability. Sericin gels prepared with different construction strategies have been widely used in skin wound dressing， nerve regeneration， cartilage repair， functional drug delivery and other fields. Sericin gels are mainly developed and applied from the directions of improving the mechanical properties of gels， avoiding the toxic effects of chemical crosslinking agents and exploring new functions of gel materials， so as to obtain greater application value.

Key words： sericin; hydrogel; crosslinking; photocatalysis; wound dressing; tissue engineering

收稿日期： 2023-12-15; 修回日期： 2024-05-27

基金項目： 蘇州大學紡織行業醫療健康用蠶絲制品重點實驗室項目（SDHY2230）;江蘇省高校自然科學基金項目（23KJB430003）

作者簡介： 馬維（1994），女，博士研究生，研究方向為功能高分子材料。通信作者：瞿靜，博士，講師，364385734@qq.com。