再生絲素二級(jí)結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊日成，左保齊(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

蠶絲是種可再生的自然資源，能夠在相對(duì)較低的成本下獲得，其主要由絲素和絲膠組成，絲素是一種結(jié)構(gòu)蛋白，絲膠是一種水溶性膠跟絲素纖維包裹在一起[1]。絲素纖維由于其優(yōu)越的機(jī)械性能以及良好的光澤效果已經(jīng)作為紡織材料很長(zhǎng)時(shí)間了，如今很多研究嘗試開(kāi)發(fā)將再生絲素材料作為生物材料[2]，對(duì)于生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，絲素材料具備很多良好的性能，例如與人體細(xì)胞具有很好的相容性，高力學(xué)強(qiáng)力，比較好的熱學(xué)穩(wěn)定性以及抗微生物性[1，3,4]；而且絲素材料應(yīng)用到人體內(nèi)幾乎無(wú)炎性反應(yīng)[5]，有良好的細(xì)胞粘附性和生長(zhǎng)能力[6]。研究者已經(jīng)試圖將其做成組織工程支架，手術(shù)縫合線，骨膜等等[7-10]。為了使生絲實(shí)現(xiàn)這些用途，一般通過(guò)脫膠溶解的方式將其再生為絲素溶液，然后通過(guò)濕紡或者靜電紡的形式形成絲素纖維[11-20]，通過(guò)冷凍干燥法獲得多孔膜，以及微米，納米球，凝膠等各種形態(tài)[21-24]。目前，已經(jīng)有許多研究通過(guò)控制絲素的二級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)控制其各項(xiàng)性能，例如絲素降解性，透明性以及其機(jī)械性能。

絲素中包含晶區(qū)和非晶區(qū)，兩者交替分布，H鏈交替穿過(guò)結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)。對(duì)于絲素的結(jié)晶狀態(tài)，Shimizu[25]首先提出家蠶絲素的兩種結(jié)晶形態(tài)：α型和β型。之后Kratky[26]證實(shí)兩種結(jié)晶形態(tài)的存在，并且指出了α型不是一般蛋白質(zhì)中的α-螺旋結(jié)構(gòu)。為了區(qū)別開(kāi)，通常把絲素的α型和β型稱為silk I和silk II。silk I晶體結(jié)構(gòu)模型是由Lotz[27]提出,另外Ishikawa等[28]也對(duì)其進(jìn)行過(guò)研究，其立體構(gòu)象呈曲柄型，是介于α-螺旋和β-折疊之間的一種中間形態(tài)。silk II的晶體結(jié)構(gòu)模型由 Marsh等人[29]根據(jù) X-射線衍射結(jié)果提出，是反平行β-折疊層結(jié)構(gòu)，屬斜方晶系。Valluzzi等人[30]在絲素溶液與空氣界面中發(fā)現(xiàn)了silk Ⅲ結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)象比較特殊，呈3-折疊螺旋結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)與聚甘氨酸II相似，屬六方晶系。

1 再生絲素二級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的研究現(xiàn)狀

1.1 脫膠工藝影響

Khan等人[31]在2009年分別用檸檬酸和皂堿對(duì)生絲脫膠，研究發(fā)現(xiàn)這兩種不同脫膠方法對(duì)其二級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變幾乎無(wú)影響，但是使用皂堿脫膠獲得的絲素纖維具備更好的機(jī)械性能。

研究發(fā)現(xiàn)在不同的脫膠體系下形成的絲素材料具備各種不同的結(jié)構(gòu)及性能。2013年王等人[32]通過(guò)不同膠體系(碳酸鈉，尿素和強(qiáng)堿性電解水)來(lái)研究脫膠工藝對(duì)絲素蛋白分子結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)使用碳酸鈉溶液對(duì)生絲脫膠大大增加了絲素蛋白的silk I結(jié)構(gòu)，因此造成絲素蛋白熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)力的損傷遠(yuǎn)大于尿素和強(qiáng)堿性電解水。

Cao等人[33]在2013年研究發(fā)現(xiàn)相比較碳酸鈉對(duì)生絲脫膠，雖然使用強(qiáng)堿性電解水脫膠絲素材料二級(jí)結(jié)構(gòu)無(wú)明顯差異，但是獲得的絲素材料有更好的拉伸性能和更高的熱分解溫度。

王等人[34]在2016年分別用碳酸鈉，中性皂和烷基糖苷對(duì)生絲脫膠發(fā)現(xiàn)三種不同脫膠工藝對(duì)絲素β-折疊晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)太大影響，但是使用烷基糖苷脫膠的方法獲得的結(jié)晶度最大。

Liu等人[35]在2016年分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，0.05%和0.005%的碳酸鈉溶液對(duì)生絲脫膠，研究發(fā)現(xiàn)在相同的溶解體系(溴化鋰-甲酸)下形成的納米纖維氈二級(jí)結(jié)構(gòu)都從無(wú)規(guī)卷曲，α-螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊，但是相比較更高濃度碳酸鈉溶液脫膠，低濃度碳酸鈉溶液脫膠后的納米纖維墊具有更好的機(jī)械性能。

1.2 溶解體系影響

Um等人[36]在2001年研究發(fā)現(xiàn)溶解在甲酸溶劑中的絲素蛋白有β-折疊結(jié)構(gòu)，而溶解在水中的絲素蛋白則無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)。

Phillips等人[37]在2004年嘗試使用1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽離子溶液溶解再生絲素蛋白，這種方法形成的再生絲素膜二級(jí)結(jié)構(gòu)為β-折疊，實(shí)驗(yàn)證實(shí)離子溶液可以用來(lái)溶解再生絲素蛋白。

Ha等人[38]在2005年研究關(guān)于不同絲素溶解方法對(duì)其二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)溶解在甲酸溶液中的絲素蛋白分子中有β-折疊現(xiàn)象，但是溶解在TFA(三氟乙酸)溶液中有α-螺旋構(gòu)象，而且當(dāng)酸性溶液從絲素蛋白分子中移除時(shí)，絲素分子能夠自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)，而且通過(guò)75%的乙醇處理過(guò)的再生絲素膜會(huì)向β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變。

Sun等人[39]在2010年研究發(fā)現(xiàn)水溶性絲素膜經(jīng)過(guò)純甲酸溶液處理后，其二級(jí)結(jié)構(gòu)由無(wú)規(guī)卷曲和α-螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊，提高了絲素膜的不溶性。

Ming等人[40]在2013年使用FA/HAP(甲酸/羥基磷灰石)溶解脫膠后的蠶絲發(fā)現(xiàn)成膜后的再生絲素膜為silk II結(jié)構(gòu)，當(dāng)改變HAP含量時(shí)，再生絲素膜silk II結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變；而且靠FA/HAP溶解方法得到的再生絲素材料具備更好的機(jī)械強(qiáng)力。

周等人[41]在2014年研究成膜三元反應(yīng)系統(tǒng)(CaCl2/H2O/C2H5OH)中乙醇含量對(duì)其二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響；研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)乙醇含量減少時(shí)，其二級(jí)結(jié)構(gòu)中的無(wú)規(guī)卷曲和α-螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊，提高絲素膜的不溶性，這對(duì)藥物輸送過(guò)程中釋放藥物具有很大意義。

1.3 不同制備條件影響(溫度濕度 pH值等)

周等人[42]于2004年研究pH值對(duì)絲素溶液構(gòu)象的影響發(fā)現(xiàn)pH值為5.2的酸性溶液有利于蠶絲絲素蛋白從silk I向silk II構(gòu)象轉(zhuǎn)變，而中性與堿性溶液(pH=6.9和8.0)則對(duì)絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變無(wú)明顯影響。

呂等人[43]在2009年對(duì)絲素膜作出研究發(fā)現(xiàn)不溶于水的絲素膜可以通過(guò)絲素溶液緩慢干燥的方法來(lái)獲取，其主要結(jié)構(gòu)是silk I而不是silk II。

Kweon等人[44]在2011年研究在不同絲素溶液濃度和溫度條件下制備絲素膜，然后測(cè)試絲素膜的溶解性和構(gòu)象。研究發(fā)現(xiàn)在當(dāng)絲素溶液濃度為3.4%，制備溫度為60℃時(shí)制備的絲素膜β-折疊構(gòu)象含量顯著增加，因此在1×PBS(溫度為37℃)下1h是不溶且膜透明。

李等人[45]于2013年采用偶氮鹽法進(jìn)行修飾獲得磺酸化絲素蛋白，經(jīng)有機(jī)醇溶劑處理后，二級(jí)結(jié)構(gòu)中的無(wú)規(guī)卷曲轉(zhuǎn)變成silkⅠ型的α-型，然后轉(zhuǎn)變成較穩(wěn)定的 silk Ⅱ型的β-折疊，且在不同溶劑中無(wú)規(guī)卷曲和α-型間可相互轉(zhuǎn)化。

明等人[46]于2014年研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變環(huán)境溫濕度等影響因素來(lái)調(diào)控SF溶液的干燥速率成功制備SF的silk I構(gòu)象；而且發(fā)現(xiàn)溶液濃度以及干燥速率均會(huì)影響silk I構(gòu)象的形成，silk I構(gòu)象膜的性能研究結(jié)果表明材料斷面有大量的納米纖維存在，可在相對(duì)較低的溫度條件(5或-20℃)下長(zhǎng)期保持silk I構(gòu)象，而且silk I構(gòu)象膜在干態(tài)下表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。

鐘等人[47]在2014年研究發(fā)現(xiàn)再生絲素蛋白溶液在一個(gè)相對(duì)較低的濃度 (15μg/mL和60μg/mL)下通過(guò)控制其干燥溫度能夠改變其二級(jí)結(jié)構(gòu)和形態(tài)，隨著干燥溫度增加，會(huì)加速絲素蛋白反平行β-折疊含量集聚和增加。而且減少其無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的形成。

盧等人[48-49]用離心的方法制得的絲素膜以silkⅡ結(jié)晶結(jié)構(gòu)為主。

1.4 后處理影響

Magoshi等人[50]在1977年研究了溫度對(duì)絲素蛋白膜構(gòu)象轉(zhuǎn)變的影響，發(fā)現(xiàn)由絲素蛋白稀溶液在室溫下制備的膜呈無(wú)規(guī)線團(tuán)構(gòu)象。當(dāng)把膜樣品加熱到180℃時(shí)，紅外吸收光譜表明有β-折疊結(jié)構(gòu)的形成，而且即使將溫度升至 230℃,無(wú)規(guī)線團(tuán)構(gòu)象依然存在。

汪宜宇[51]在1979年研究了各種有機(jī)溶劑處理對(duì)絲素膜結(jié)構(gòu)的影響，指出使用具有脫水作用的溶劑處理能夠?qū)е聅ilkⅡ結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成。

石和王等人[48,52]分別在1983年和1985年研究將再生絲素膜加熱到190℃和270℃以上，發(fā)現(xiàn)絲素的二級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生從無(wú)定形向silkⅡ結(jié)晶結(jié)構(gòu)或從silkⅠ向silkⅡ結(jié)晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

吳等人[53]在1993年研究將再生絲素膜在蒸汽中加熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出在 120℃(飽和蒸汽壓=2個(gè)大氣壓)汽蒸半小時(shí)絲素會(huì)發(fā)生無(wú)定形向silkⅡ結(jié)晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，在150℃(飽和蒸汽壓=5個(gè)大氣壓)汽蒸半小時(shí)絲素會(huì)發(fā)生silkⅠ向silkⅡ結(jié)晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

對(duì)于使用甲醇處理，與Tsukada等人[54]在1994年研究發(fā)現(xiàn)關(guān)于濃度為 60%～100%的甲醇會(huì)明顯影響再生絲素膜的結(jié)構(gòu)，從而出現(xiàn)大量β-折疊結(jié)構(gòu)的結(jié)果相似，Taketani等人[55]在2005年研究也表明，甲醇的作用會(huì)使再生絲素膜的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生從無(wú)規(guī)卷曲向β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。Yoshimizu等人[56]和 Tsukada等人[57]分別在1990年和1994年也進(jìn)行了類似的研究并得出相似的結(jié)論。

Freddi等人[58]在1996年研究發(fā)現(xiàn)熱處理能誘導(dǎo)絲素膜構(gòu)象轉(zhuǎn)變，從200℃加熱到250℃，絲素膜構(gòu)象逐漸從α-螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊。

左等人[59]在2006年用不同的絲素溶液凝固試劑分別研究對(duì)再生絲素蛋白的結(jié)構(gòu)和性能的影響，發(fā)現(xiàn)甲醇/乙醇對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響可忽略不計(jì)，但相比甲醇，使用乙醇能大大提高絲素材料生物降解性。

魏等人[60]在2011年研究后處理劑以及后處理方法在干法紡絲過(guò)程中對(duì)再生絲素纖維二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)乙醇/水系統(tǒng)后處理過(guò)的纖維中有α-螺旋和無(wú)規(guī)卷曲構(gòu)象向β-折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，從而大大提高了纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率。

1.5 添加材料對(duì)絲素膜結(jié)構(gòu)影響

張等人[61]在2002年研究發(fā)現(xiàn)加入一定濃度稀土金屬離子的絲素膜中，稀土金屬離子可以和絲素分子之間存在著配位作用，使絲素分子β化，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)排列緊密，結(jié)晶程度提高。

盧等人[62]在2003年研究發(fā)現(xiàn)加入聚乙二醇縮水甘油醚后絲素膜的結(jié)晶度下降，基本為無(wú)定形結(jié)構(gòu)，只有少量的silk II結(jié)構(gòu)。

宗等人[63]在2005年研究了家蠶絲素水溶液中金屬銅離子對(duì)絲素蛋白構(gòu)象的影響，認(rèn)為一定量銅離子的引入有利于絲素蛋白分子鏈從無(wú)規(guī)卷曲向β-折疊構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，然而銅離子的進(jìn)一步增加反而會(huì)抑制β-折疊構(gòu)象的形成。同時(shí)研究結(jié)果還表明，銅離子對(duì)絲素蛋白構(gòu)象的影響遵循“成核依賴性”機(jī)理。

周等人[64]在2006年將絲素溶液與銅離子溶液混合后制備絲素膜，指出隨著銅離子的加入，絲素膜的二級(jí)結(jié)構(gòu)由無(wú)規(guī)卷曲向β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

Tsuchiya等人[65]在2016年研究在絲素溶液中混合T-polyA(多爪型聚丙氨酸)，由于T-polyA與絲素溶液易于混合，混合液透明且T-polyA具有反平行的β-折疊結(jié)構(gòu)使絲素復(fù)合膜的β-折疊結(jié)構(gòu)含量增加。

2 再生絲素研究的發(fā)展方向

如今，生物材料廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于開(kāi)發(fā)利用再生絲素材料不同性能的研究也在不斷發(fā)展中，再生絲素材料的各項(xiàng)性能，比如物理機(jī)械性能，可溶性，熱學(xué)性能和生物降解性能等均受到其二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響，二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)絲素材料起著至關(guān)重要的作用.為了使再生絲素材料更好地運(yùn)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究方向也將會(huì)更臨床化，更好的滿足各種要求，再生絲素材料的研究方向?qū)?lái)會(huì)從以下幾個(gè)方面發(fā)展：

(1)由上述研究表明，再生絲素材料的二級(jí)結(jié)構(gòu)收到很多制備條件的影響，在應(yīng)用于醫(yī)學(xué)例如耳膜的修復(fù)中時(shí)，我們可以通過(guò)緩慢干燥，調(diào)節(jié)制備的絲素濃度及溫度來(lái)生產(chǎn)不溶性，透明度高的絲素膜來(lái)滿足患者的要求。

(2)在之前的再生絲素材料研究中,我們很少關(guān)注在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)在絲素中添加絲膠來(lái)控制成膜的二級(jí)結(jié)構(gòu)，在今后，我們可以在絲素中混入適量的絲膠來(lái)提高其β-折疊的含量來(lái)控制成膜的降解性以及熱學(xué)性能。

(3)隨著生活水平的不斷提高，大家對(duì)綠色環(huán)保的要求也越來(lái)越高，以后，我們可以通過(guò)綠色環(huán)保的制備條件來(lái)生產(chǎn)絲素膜，而且使其具備更高的silk I結(jié)構(gòu)來(lái)提高其生物降解性。

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