絲膠蛋白納米纖維的研究進(jìn)展

張顯華 馮向偉 劉 凡 王力爭

絲膠蛋白納米纖維的研究進(jìn)展

張顯華 馮向偉 劉 凡 王力爭

蠶絲主要由絲膠和絲素兩種蛋白組成，絲膠蛋白是一種由18種氨基酸組成的優(yōu)質(zhì)高分子球狀蛋白質(zhì)，具有無毒、無害以及良好的生物相容性等性能，近年來逐步被應(yīng)用到生物材料領(lǐng)域，同時在化妝品、醫(yī)用敷料、食品等方面的應(yīng)用有著較廣闊的發(fā)展前景。在介紹了絲膠蛋白結(jié)構(gòu)及性能的基礎(chǔ)上，較全面地綜述了近年來國內(nèi)外絲膠蛋白納米纖維的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，并指出絲膠蛋白納米纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用及其應(yīng)用時存在的問題，并對今后的研究進(jìn)行了展望。

絲膠蛋白；納米材料；研究現(xiàn)狀；進(jìn)展；問題

在100nm以下對原子、分子等進(jìn)行操縱和加工稱為納米技術(shù)；他是在20世紀(jì)80年代末開始發(fā)展起來的，當(dāng)前納米技術(shù)是全球各個國家科技研究的一大熱點(diǎn)[1]。1990年在美國巴爾的摩召開了第一屆納米科技會議后，隨著新世紀(jì)能源、信息等產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，納米材料已成為當(dāng)今新材料研究中最具有活力的研究對象,被譽(yù)為“21世紀(jì)最有前途的材料”。靜電紡絲技術(shù)是一種獨(dú)特的納米纖維制造技術(shù)，于1934年由Formhals獲得專利[2]。由于納米纖維具有尺寸小,比表面積大，獨(dú)特的光、電、磁等特點(diǎn)，并且在催化、醫(yī)藥及新材料等方面具有特別的功能，所以近20多年來，靜電紡絲技術(shù)憑借其電紡納米材料的獨(dú)特優(yōu)勢引發(fā)了人們大量的關(guān)注和研究，已應(yīng)用在組織工程、傷口敷料、生物傳感器等多個領(lǐng)域。蠶絲作為一種天然的大分子材料，其生物相容性良好，將蠶絲蛋白制備成再生納米纖維材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的前景。絲膠蛋白作為一種天然高分子材料，具無毒、無免疫反應(yīng)、抗氧化性、抗癌、抗菌以及良好生物相容性及生物降解性，當(dāng)前備受多個應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注，已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)課題[3]。所以，開展絲膠蛋白的性能研究，開發(fā)絲膠蛋白納米材料及應(yīng)用產(chǎn)品，拓展絲膠蛋白資源利用，對于保護(hù)環(huán)境有十分重要的意義。以絲膠蛋白為原材料制備的納米材料，可廣泛應(yīng)用于生物材料。本文主要綜述了絲膠蛋白納米纖維的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，以及目前研究中存在的問題。

1 絲膠蛋白的特點(diǎn)

蠶絲主要由絲膠和絲素兩種蛋白組成。絲膠由蠶的中部絲腺分泌，是一種生物相容性優(yōu)良而且親水性好的高分子材料。其主要作用是包覆絲素,并且在絲素外面起粘合作用。由于絲膠的特點(diǎn),在絲綢產(chǎn)品生產(chǎn)中,繅絲、精練等除去絲膠的工藝必不可少，可使絲綢服裝的服用性能變得更好。同時在繭絲綢加工生產(chǎn)過程中，大量的絲膠被作為廢棄液排放，不僅造成了生物資源的浪費(fèi)，同時還污染了環(huán)境[4]。由于絲膠蛋白因環(huán)境的改變而改變性能，其結(jié)構(gòu)也相對比較復(fù)雜，因此對絲膠蛋白的研究廣度及深度不及絲素。絲膠作為紡織服裝生產(chǎn)加工中的廢品，將絲綢服裝生產(chǎn)過程中排放廢水中的大量絲膠蛋白變廢為寶，賦予其新的生機(jī)并獲得市場認(rèn)可是擺在紡織領(lǐng)域、材料領(lǐng)域及政府部門面前的一個亟待解決的問題[5]。

蠶吐絲結(jié)繭形成的蠶絲，是由兩根平行的絲素蛋白纖維和外包絲膠所構(gòu)成，絲素占總質(zhì)量的75%左右，而絲膠大約占25%左右。絲素和絲膠雖然都是蛋白質(zhì)，但因?yàn)榇蠓肿咏Y(jié)構(gòu)及分子間的空間排列狀態(tài)不同，所以他們各自具有不同的物理化學(xué)性能[6]。18種氨基酸組成的絲膠蛋白是一種球狀蛋白，其中大部分氨基酸都含有強(qiáng)極性側(cè)基[7-10]。

絲膠蛋白是天然大分子聚合物，由多種多肽組成，分子量在24～400kDa范圍內(nèi)[11]；其生物相容性良好、免疫原性低，并具有細(xì)胞因子的作用等優(yōu)點(diǎn)。Terada等[12]的試驗(yàn)證實(shí)了絲膠蛋白能促進(jìn)細(xì)胞的黏附和增殖。Nomura的研究結(jié)果表明絲膠蛋白能抑制脂質(zhì)過氧化作用和酪氨酸酶的活性[13]。Kundu和Pornanong Aramwit等證實(shí)了絲膠蛋白的免疫原性較低。目前已有很多文章證明絲膠蛋白可應(yīng)用于紡織工程領(lǐng)域中的藥物載體。

2 絲膠蛋白復(fù)合納米纖維的制備

Xianhua Z等人以去離子水為溶劑，在85℃條件下溶解分子量為33000的絲膠蛋白粉末，利用加熱靜電紡絲技術(shù)，制備了絲膠蛋白納米纖維。SEM結(jié)果顯示在濃度50%時，可以獲得表面光滑及良好形態(tài)的絲膠蛋白納米纖維。當(dāng)加壓距離為10cm時，電壓在13～25kV范圍內(nèi)，隨著電壓的增加，絲膠蛋白納米纖維的直徑減小。Xianhua Z等人利用靜電紡絲技術(shù)，采用三氟乙酸（TFA）為溶劑溶解“絲膠”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳的紡絲條件如下：絲膠蛋白溶液濃度為6%～8wt%，紡絲電壓為25～32kV，紡絲距離為9cm等等。在本實(shí)驗(yàn)紡絲條件下，絲膠蛋白納米纖維的平均距離為114～430nm。絲膠蛋白納米纖維的結(jié)構(gòu)為無歸卷曲，經(jīng)過甲醇處理后，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊結(jié)構(gòu)。Xianhua Z等人制備了絲膠/絲素復(fù)合納米纖維材料。Md.Majibur Rahman Khan等以三氟乙酸為溶劑，利用靜電紡絲技術(shù)紡制了絲膠蛋白納米纖維材料。良好的絲膠蛋白納米纖維材料形成的最主要因素是紡絲液濃度，當(dāng)紡絲液濃度達(dá)到16.5%以上時，獲得了表面光滑的絲膠蛋白納米纖維材料。紅外光譜圖結(jié)果顯示絲膠蛋白納米纖維材料為無定形結(jié)構(gòu)，熱分析結(jié)果表明熱分解溫度明顯降低。

李海濱等人利用靜電紡絲技術(shù)，以六氟異丙醇（HFIP）作為溶劑，將從家蠶體內(nèi)中部絲腺取得的絲膠蛋白與聚己內(nèi)酯進(jìn)行混紡，紡制了聚己內(nèi)酯/絲膠蛋白納米三維多孔支架。掃描電鏡和透射電鏡結(jié)果顯示了絲膠蛋白納米顆粒隨機(jī)分布在聚己內(nèi)酯納米纖維的內(nèi)部和外部。呂永鋼等研究了聚己內(nèi)酯/絲膠蛋白靜電混紡膜炎癥響應(yīng)的評價。研究結(jié)果表明聚己內(nèi)酯/絲膠蛋白混紡膜是一種安全的材料，有良好的生物相容性，具有廣泛應(yīng)用于組織工程的前景。同時證明了絲膠蛋白能夠促進(jìn)細(xì)胞的黏附和增殖?？赡芤?yàn)榻z膠蛋白絕大部分是極性氨基酸，為細(xì)胞提供了許多結(jié)合位點(diǎn)，有利于促進(jìn)細(xì)胞增殖和黏附。

趙銳等人制備了殼聚糖/絲膠蛋白復(fù)合納米纖維敷料。研究結(jié)果揭示了其敷料的生物相容性良好，對大腸桿菌和枯草桿菌都具有良好的抗菌能力，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擁有較廣的應(yīng)用前景。

3 絲膠蛋白納米纖維的應(yīng)用前景

陳忠敏等人研究了絲膠蛋白的細(xì)胞相容性和抗菌性。研究結(jié)果表明：絲膠蛋白對細(xì)胞無毒性，絲膠濃度在一定范圍內(nèi)能促進(jìn)細(xì)胞生長；其對大腸桿菌的抗菌性比金黃色葡萄球菌更明顯，展現(xiàn)了其在生物材料領(lǐng)域廣闊應(yīng)用的前景；同時絲膠蛋白的生物相容性良好，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

生物納米材料具有較好擴(kuò)散和滲透能力、吸附能力和化學(xué)活性，以及良好生物降解性等特點(diǎn)。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，用納米技術(shù)制造功能性生物材料，將加快推動納米生物材料基礎(chǔ)研究的步伐。目前絲膠蛋白納米纖維的研究處于初步探索階段。

總結(jié)

目前，絲膠蛋白的研究深度和開發(fā)利用廣度還不及絲素，但是，絲膠蛋白的回收利用可以使絲綢制品生產(chǎn)中的大量絲膠再利用，對于提高經(jīng)濟(jì)效益及改善環(huán)境都起著重要的作用。盡管絲膠蛋白納米材料的研究已經(jīng)取得了一些成果，但是現(xiàn)階段的研究仍然有很多不足?？偨Y(jié)如下：

（1）絲膠蛋白分子量分布較廣，靜電紡絲技術(shù)使得絲膠蛋白納米纖維的直徑分布較廣，在一定程度上限制了絲膠蛋白納米纖維的應(yīng)用范圍。

（2）目前現(xiàn)有制備絲膠納米材料的方法中難免要加入各種溶劑，而溶劑很可能殘留在納米材料中，這些殘留物可能會影響其應(yīng)用。

1.潘玨璟，曾冬梅，張克勤.家蠶絲蛋白納米顆粒的研究進(jìn)展[J].印染,2012，11：46～49.

2.Bhardwaj N,Kundu SC.Electrospinning：A fascinating fiber fabrication technique[J].Biotecnol Adv,2010,28(3)：325～47.

3.Sundar S,Kundu J,Kun-du S C.Biopolymeric nanoparticles[J].Sci.Technol.Adv.Mater.2010,11：014104～15.

4.王雪云,朱良均,閔思佳等.蠶絲絲膠蛋白的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國蠶學(xué)會第七屆青年學(xué)術(shù)研討會論文集,721～726.

5.陳忠敏，陳梟，龐亞妮，李江峰，王富平.絲膠蛋白應(yīng)用于組織工程支架材料的研究進(jìn)展[J].絲綢，2015,52（4）：25～30.

6.呂靖.蠶絲和蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)與生物紡絲過程[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2004,12（1）：40～42.

7.小松計(jì)一.絲膠的化學(xué)與構(gòu)造[M].長野：日本信州大學(xué)，1980：379～388.

8.陳華，朱良均，閔思佳等．蠶絲絲膠蛋白的結(jié)構(gòu)、性能及利用[J]．功能高分子學(xué)報(bào)，2001，19(9)：344～345。

9.靳春平，鄧連霞，朱良均.蠶絲絲膠蛋白——一種功能性化妝品原料[J].蠶桑通報(bào)，2013,44（2）：13～15.

10.朱良均，姓菊明，李幼祿.蠶絲蛋白的氨基酸組成其對人體的生理功能[J].中國蠶業(yè)，1997.69（1）：42～44。

11.GREINER A,WENDORFF J H.Electrospinning：A fascinating method for the preparation of ultrathin fibres[J].An gew Chem-Int Edit,2007,46(30)：5670～5703.

12.TERADA S,SASAKI M,YAMADA H,et al.Preparation of silk protein sericin as mitogenic factor for better mammalian cell culture[J].J Biosci Bioeng,2005,100(6)：667～671.

13.DASH BC,MANDAL B B,KUNDU S C.Silk gland sericin protein membranes：Fabrication and characterization for potential biotechnological applications [J].J Biotechnol,2009,144(4)：321～329.

B

1671-3389（2017）03-16-03

河南工程學(xué)院博士基金項(xiàng)目(D2017005);河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃（17B540003）；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（172102210210）；2016年地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201611517008）