發(fā)布時間：2021-10-16 06:15

　　水凝膠是一類物理化學性質(zhì)接近軟組織的先進材料,已有眾多聚合物用于水凝膠的制備。絲素蛋白由于具有優(yōu)異的生物相容性、生物可降解性和易于制備成各種形式的材料等優(yōu)點,在生物醫(yī)學領(lǐng)域中具有廣泛的應用,其中水凝膠是絲素蛋白在生物醫(yī)學中應用的重要形式。由于分子的獨特結(jié)構(gòu),絲素蛋白可以通過多種方法形成水凝膠。近年來,光交聯(lián)水凝膠由于具有制備條件溫和、副產(chǎn)物少、反應過程容易控制等優(yōu)點,逐步成為研究的熱點。首先對絲素蛋白的分子結(jié)構(gòu)和特性進行了介紹,總結(jié)了絲素蛋白水凝膠的制備方法,重點闡述了光交聯(lián)絲素蛋白水凝膠的研究現(xiàn)狀,并討論了它們在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用,最后對光交聯(lián)絲素蛋白水凝膠未來發(fā)展方向進行了展望。 

【文章來源】：中國材料進展. 2020,39(06)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

家養(yǎng)桑蠶及其結(jié)出來的繭(a)[5];用蠶繭中絲素蛋白加工成的凝膠、纖維、膜、微球、管和海綿等眾多形式的材料(b)[14]

SF纖維有著優(yōu)異的力學性能，這一方面得益于結(jié)晶區(qū)內(nèi)β-折疊結(jié)構(gòu)在納米空間上存在的限制;另一方面，SF纖維具有明顯的層級結(jié)構(gòu)，這種基于β-折疊自組裝形成的層級結(jié)構(gòu)(圖2c)對增強SF纖維的力學性能同樣起到至關(guān)重要的作用[22,23]。β-折疊在SF基材料力學性能上也扮演了重要的角色，β-折疊含量不同，材料的力學性能也有所不同。為此，很多研究者嘗試通過不同方式處理SF基材料，以調(diào)控材料內(nèi)部β-折疊的含量。例如，室溫退火能夠誘導30%的β-折疊形成，而高壓蒸汽處理能得到含量大約為60%的β-折疊[24]。此外，采用SF制備的材料具有可降解的特性[25]。研究表明，這種降解性能受材料內(nèi)β-折疊含量的影響，因此可以通過控制β-折疊的含量來調(diào)控材料的降解性能[26,27]。值得注意的是，富含β-折疊的SF基材料并不像阿爾茲海默癥中通過β-折疊組裝的淀粉樣多肽聚集體有著致病性[28]。研究結(jié)果表明，SF基材料具有很好的生物相容性，早在1993年就被美國食品和藥物管理局(FDA)批準作為生物材料使用[29-31]。3 絲素蛋白基水凝膠的制備方法

對于SF來說，盡管在早期就有研究將乙烯基團接枝到脫膠SF纖維表面[52,53]，但是在SF分子鏈上進行修飾的研究并不多，而且相關(guān)水凝膠的研究也鮮有報道。因此，制備紫外光交聯(lián)SF基水凝膠經(jīng)常采用的策略是將沒有紫外光交聯(lián)能力的SF與具有紫外光交聯(lián)能力的其他聚合物進行共混，制備半互穿網(wǎng)絡(luò)(semi-IPN)水凝膠和互穿網(wǎng)絡(luò)(IPN)水凝膠。半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠是指當有兩種或兩種以上的聚合物共混制備水凝膠時，若只有其中一種聚合物發(fā)生交聯(lián)形成聚合物網(wǎng)絡(luò)，而其他聚合物只是簡單地分布在這些網(wǎng)絡(luò)之間，則會形成半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠。若每種聚合物交聯(lián)得到單獨的網(wǎng)絡(luò)并交織在一起，則會形成互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠[33]。在半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的研究中，Kunda等制備出了光交聯(lián)的聚乙烯醇(PVA)/SF半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，經(jīng)甲基丙烯酸異氰基乙酯修飾后PVA具有光交聯(lián)的能力，將其與SF共混并經(jīng)紫外光引發(fā)聚合，便會形成半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠。其中能夠在紫外光下交聯(lián)的PVA形成自己單獨的網(wǎng)絡(luò)，SF不具備交聯(lián)能力，便會分布在PVA形成的網(wǎng)絡(luò)之間[33]。在互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的研究中，Xiao等將Gel MA與SF共混制備出了Gel MA和SF分別獨立交聯(lián)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。Gel MA是明膠經(jīng)甲基丙烯酸酐修飾后的產(chǎn)物，具有紫外光交聯(lián)能力，Gel MA在紫外光和光引發(fā)劑Irgacure 2959存在的條件下發(fā)生交聯(lián)，形成化學交聯(lián)的明膠網(wǎng)絡(luò)，隨后將其暴露于甲醇溶液中，誘導SF形成β-折疊結(jié)構(gòu)的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，兩個網(wǎng)絡(luò)交織在一起形成互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠(圖3)。與Gel MA/SF形成的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠相比，這種互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠在機械強度和降解性能方面都有大幅度的改善[34]。但是用于包載細胞等活性物質(zhì)時，往往要避免使用有機溶劑。因此，研究者在此基礎(chǔ)上進一步改進方法，采用超聲而非甲醇處理的方法誘導SF形成β-折疊網(wǎng)絡(luò)，從而避免有機溶劑對細胞等活性物質(zhì)的損傷。此外，采用改進方法制得的Gel MA/SF互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠顯示出高溶脹率、優(yōu)異的力學性能以及對膠原酶酶促降解的抵抗能力[54]。互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有單一聚合物網(wǎng)絡(luò)無法呈現(xiàn)的性能，可以通過調(diào)控聚合物的比例實現(xiàn)對材料性能的調(diào)控，這被稱為協(xié)同增益現(xiàn)象，在其它研究中也有類似報道[55,56]。因此，利用紫外光引發(fā)交聯(lián)制備的SF互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)光驅(qū)動體系下SF參與水凝膠的制備，而且能夠?qū)崿F(xiàn)SF和其他聚合物之間性能的互補，達到意想不到的增益效果，這一思路在SF水凝膠開發(fā)中具有巨大的潛力。最近，在SF分子鏈上修飾乙烯基團進行光交聯(lián)水凝膠制備的研究取得進展。Kim等在SF溶解的過程中，將甲基丙烯縮水甘油酯(GMA)單體加入到溶解1 h的SF/Li Br混合液中，然后在60℃下攪拌3 h后進行透析和凍干，即可得到乙烯基團修飾的SF分子(圖4a和4b)[57]。整個修飾過程在水溶液中完成，不使用有機溶劑，綠色環(huán)保。為了增加SF修飾時的穩(wěn)定性和修飾后的水溶性，他們首先降解SF，然后將降解的SF溶解于氯化鋰/二甲基亞砜中，隨后加入甲基丙烯酸異氰基乙酯并在氮氣保護下實現(xiàn)了乙烯基團在SF分子上的修飾。修飾后的SF在磷酸緩沖鹽溶液(PBS緩沖液)中顯示出很好的溶解性，制備得到的水凝膠展現(xiàn)出很好的彈性和觸變性[58]。此外，他們利用3D打印技術(shù)將修飾后的SF水溶液作為打印墨水，實現(xiàn)了各種器官的高分辨率打印。利用光引發(fā)交聯(lián)提高水凝膠的穩(wěn)定性，打印出來的三維結(jié)構(gòu)水凝膠具有較高的分辨率(圖4c)和優(yōu)異的回彈性(圖4d)[57]。除SF分子修飾外，有研究報道在SF納米/微米顆粒上修飾乙烯基團。將這些修飾后的顆粒與修飾了乙烯基團的殼聚糖共混，在紫外光下進行共聚，實現(xiàn)光交聯(lián)SF水凝膠的制備[59]，成功在SF分子上修飾乙烯基團，使得單獨的SF在紫外光下能夠交聯(lián)形成水凝膠網(wǎng)絡(luò)，這將豐富光交聯(lián)SF水凝膠的制備方法和拓寬SF水凝膠的應用范圍。


本文編號：3439311