光交联丝素蛋白水凝胶的制备及生物医学应用
发布时间：2021-10-16 06:15
水凝胶是一类物理化学性质接近软组织的先进材料,已有众多聚合物用于水凝胶的制备。丝素蛋白由于具有优异的生物相容性、生物可降解性和易于制备成各种形式的材料等优点,在生物医学领域中具有广泛的应用,其中水凝胶是丝素蛋白在生物医学中应用的重要形式。由于分子的独特结构,丝素蛋白可以通过多种方法形成水凝胶。近年来,光交联水凝胶由于具有制备条件温和、副产物少、反应过程容易控制等优点,逐步成为研究的热点。首先对丝素蛋白的分子结构和特性进行了介绍,总结了丝素蛋白水凝胶的制备方法,重点阐述了光交联丝素蛋白水凝胶的研究现状,并讨论了它们在生物医学领域的应用,最后对光交联丝素蛋白水凝胶未来发展方向进行了展望。
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(06)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
家养桑蚕及其结出来的茧(a)[5];用蚕茧中丝素蛋白加工成的凝胶、纤维、膜、微球、管和海绵等众多形式的材料(b)[14]
SF纤维有着优异的力学性能，这一方面得益于结晶区内β-折叠结构在纳米空间上存在的限制;另一方面，SF纤维具有明显的层级结构，这种基于β-折叠自组装形成的层级结构(图2c)对增强SF纤维的力学性能同样起到至关重要的作用[22,23]。β-折叠在SF基材料力学性能上也扮演了重要的角色，β-折叠含量不同，材料的力学性能也有所不同。为此，很多研究者尝试通过不同方式处理SF基材料，以调控材料内部β-折叠的含量。例如，室温退火能够诱导30%的β-折叠形成，而高压蒸汽处理能得到含量大约为60%的β-折叠[24]。此外，采用SF制备的材料具有可降解的特性[25]。研究表明，这种降解性能受材料内β-折叠含量的影响，因此可以通过控制β-折叠的含量来调控材料的降解性能[26,27]。值得注意的是，富含β-折叠的SF基材料并不像阿尔兹海默症中通过β-折叠组装的淀粉样多肽聚集体有着致病性[28]。研究结果表明，SF基材料具有很好的生物相容性，早在1993年就被美国食品和药物管理局(FDA)批准作为生物材料使用[29-31]。3 丝素蛋白基水凝胶的制备方法
对于SF来说，尽管在早期就有研究将乙烯基团接枝到脱胶SF纤维表面[52,53]，但是在SF分子链上进行修饰的研究并不多，而且相关水凝胶的研究也鲜有报道。因此，制备紫外光交联SF基水凝胶经常采用的策略是将没有紫外光交联能力的SF与具有紫外光交联能力的其他聚合物进行共混，制备半互穿网络(semi-IPN)水凝胶和互穿网络(IPN)水凝胶。半互穿网络水凝胶是指当有两种或两种以上的聚合物共混制备水凝胶时，若只有其中一种聚合物发生交联形成聚合物网络，而其他聚合物只是简单地分布在这些网络之间，则会形成半互穿网络水凝胶。若每种聚合物交联得到单独的网络并交织在一起，则会形成互穿网络水凝胶[33]。在半互穿网络水凝胶的研究中，Kunda等制备出了光交联的聚乙烯醇(PVA)/SF半互穿网络水凝胶，经甲基丙烯酸异氰基乙酯修饰后PVA具有光交联的能力，将其与SF共混并经紫外光引发聚合，便会形成半互穿网络水凝胶。其中能够在紫外光下交联的PVA形成自己单独的网络，SF不具备交联能力，便会分布在PVA形成的网络之间[33]。在互穿网络水凝胶的研究中，Xiao等将Gel MA与SF共混制备出了Gel MA和SF分别独立交联的双网络水凝胶。Gel MA是明胶经甲基丙烯酸酐修饰后的产物，具有紫外光交联能力，Gel MA在紫外光和光引发剂Irgacure 2959存在的条件下发生交联，形成化学交联的明胶网络，随后将其暴露于甲醇溶液中，诱导SF形成β-折叠结构的物理交联网络，两个网络交织在一起形成互穿网络水凝胶(图3)。与Gel MA/SF形成的半互穿网络水凝胶相比，这种互穿网络水凝胶在机械强度和降解性能方面都有大幅度的改善[34]。但是用于包载细胞等活性物质时，往往要避免使用有机溶剂。因此，研究者在此基础上进一步改进方法，采用超声而非甲醇处理的方法诱导SF形成β-折叠网络，从而避免有机溶剂对细胞等活性物质的损伤。此外，采用改进方法制得的Gel MA/SF互穿网络水凝胶显示出高溶胀率、优异的力学性能以及对胶原酶酶促降解的抵抗能力[54]。互穿网络水凝胶具有单一聚合物网络无法呈现的性能，可以通过调控聚合物的比例实现对材料性能的调控，这被称为协同增益现象，在其它研究中也有类似报道[55,56]。因此，利用紫外光引发交联制备的SF互穿网络水凝胶，不仅能够实现光驱动体系下SF参与水凝胶的制备，而且能够实现SF和其他聚合物之间性能的互补，达到意想不到的增益效果，这一思路在SF水凝胶开发中具有巨大的潜力。最近，在SF分子链上修饰乙烯基团进行光交联水凝胶制备的研究取得进展。Kim等在SF溶解的过程中，将甲基丙烯缩水甘油酯(GMA)单体加入到溶解1 h的SF/Li Br混合液中，然后在60℃下搅拌3 h后进行透析和冻干，即可得到乙烯基团修饰的SF分子(图4a和4b)[57]。整个修饰过程在水溶液中完成，不使用有机溶剂，绿色环保。为了增加SF修饰时的稳定性和修饰后的水溶性，他们首先降解SF，然后将降解的SF溶解于氯化锂/二甲基亚砜中，随后加入甲基丙烯酸异氰基乙酯并在氮气保护下实现了乙烯基团在SF分子上的修饰。修饰后的SF在磷酸缓冲盐溶液(PBS缓冲液)中显示出很好的溶解性，制备得到的水凝胶展现出很好的弹性和触变性[58]。此外，他们利用3D打印技术将修饰后的SF水溶液作为打印墨水，实现了各种器官的高分辨率打印。利用光引发交联提高水凝胶的稳定性，打印出来的三维结构水凝胶具有较高的分辨率(图4c)和优异的回弹性(图4d)[57]。除SF分子修饰外，有研究报道在SF纳米/微米颗粒上修饰乙烯基团。将这些修饰后的颗粒与修饰了乙烯基团的壳聚糖共混，在紫外光下进行共聚，实现光交联SF水凝胶的制备[59]，成功在SF分子上修饰乙烯基团，使得单独的SF在紫外光下能够交联形成水凝胶网络，这将丰富光交联SF水凝胶的制备方法和拓宽SF水凝胶的应用范围。
本文编号：3439311
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(06)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
家养桑蚕及其结出来的茧(a)[5];用蚕茧中丝素蛋白加工成的凝胶、纤维、膜、微球、管和海绵等众多形式的材料(b)[14]
SF纤维有着优异的力学性能，这一方面得益于结晶区内β-折叠结构在纳米空间上存在的限制;另一方面，SF纤维具有明显的层级结构，这种基于β-折叠自组装形成的层级结构(图2c)对增强SF纤维的力学性能同样起到至关重要的作用[22,23]。β-折叠在SF基材料力学性能上也扮演了重要的角色，β-折叠含量不同，材料的力学性能也有所不同。为此，很多研究者尝试通过不同方式处理SF基材料，以调控材料内部β-折叠的含量。例如，室温退火能够诱导30%的β-折叠形成，而高压蒸汽处理能得到含量大约为60%的β-折叠[24]。此外，采用SF制备的材料具有可降解的特性[25]。研究表明，这种降解性能受材料内β-折叠含量的影响，因此可以通过控制β-折叠的含量来调控材料的降解性能[26,27]。值得注意的是，富含β-折叠的SF基材料并不像阿尔兹海默症中通过β-折叠组装的淀粉样多肽聚集体有着致病性[28]。研究结果表明，SF基材料具有很好的生物相容性，早在1993年就被美国食品和药物管理局(FDA)批准作为生物材料使用[29-31]。3 丝素蛋白基水凝胶的制备方法
对于SF来说，尽管在早期就有研究将乙烯基团接枝到脱胶SF纤维表面[52,53]，但是在SF分子链上进行修饰的研究并不多，而且相关水凝胶的研究也鲜有报道。因此，制备紫外光交联SF基水凝胶经常采用的策略是将没有紫外光交联能力的SF与具有紫外光交联能力的其他聚合物进行共混，制备半互穿网络(semi-IPN)水凝胶和互穿网络(IPN)水凝胶。半互穿网络水凝胶是指当有两种或两种以上的聚合物共混制备水凝胶时，若只有其中一种聚合物发生交联形成聚合物网络，而其他聚合物只是简单地分布在这些网络之间，则会形成半互穿网络水凝胶。若每种聚合物交联得到单独的网络并交织在一起，则会形成互穿网络水凝胶[33]。在半互穿网络水凝胶的研究中，Kunda等制备出了光交联的聚乙烯醇(PVA)/SF半互穿网络水凝胶，经甲基丙烯酸异氰基乙酯修饰后PVA具有光交联的能力，将其与SF共混并经紫外光引发聚合，便会形成半互穿网络水凝胶。其中能够在紫外光下交联的PVA形成自己单独的网络，SF不具备交联能力，便会分布在PVA形成的网络之间[33]。在互穿网络水凝胶的研究中，Xiao等将Gel MA与SF共混制备出了Gel MA和SF分别独立交联的双网络水凝胶。Gel MA是明胶经甲基丙烯酸酐修饰后的产物，具有紫外光交联能力，Gel MA在紫外光和光引发剂Irgacure 2959存在的条件下发生交联，形成化学交联的明胶网络，随后将其暴露于甲醇溶液中，诱导SF形成β-折叠结构的物理交联网络，两个网络交织在一起形成互穿网络水凝胶(图3)。与Gel MA/SF形成的半互穿网络水凝胶相比，这种互穿网络水凝胶在机械强度和降解性能方面都有大幅度的改善[34]。但是用于包载细胞等活性物质时，往往要避免使用有机溶剂。因此，研究者在此基础上进一步改进方法，采用超声而非甲醇处理的方法诱导SF形成β-折叠网络，从而避免有机溶剂对细胞等活性物质的损伤。此外，采用改进方法制得的Gel MA/SF互穿网络水凝胶显示出高溶胀率、优异的力学性能以及对胶原酶酶促降解的抵抗能力[54]。互穿网络水凝胶具有单一聚合物网络无法呈现的性能，可以通过调控聚合物的比例实现对材料性能的调控，这被称为协同增益现象，在其它研究中也有类似报道[55,56]。因此，利用紫外光引发交联制备的SF互穿网络水凝胶，不仅能够实现光驱动体系下SF参与水凝胶的制备，而且能够实现SF和其他聚合物之间性能的互补，达到意想不到的增益效果，这一思路在SF水凝胶开发中具有巨大的潜力。最近，在SF分子链上修饰乙烯基团进行光交联水凝胶制备的研究取得进展。Kim等在SF溶解的过程中，将甲基丙烯缩水甘油酯(GMA)单体加入到溶解1 h的SF/Li Br混合液中，然后在60℃下搅拌3 h后进行透析和冻干，即可得到乙烯基团修饰的SF分子(图4a和4b)[57]。整个修饰过程在水溶液中完成，不使用有机溶剂，绿色环保。为了增加SF修饰时的稳定性和修饰后的水溶性，他们首先降解SF，然后将降解的SF溶解于氯化锂/二甲基亚砜中，随后加入甲基丙烯酸异氰基乙酯并在氮气保护下实现了乙烯基团在SF分子上的修饰。修饰后的SF在磷酸缓冲盐溶液(PBS缓冲液)中显示出很好的溶解性，制备得到的水凝胶展现出很好的弹性和触变性[58]。此外，他们利用3D打印技术将修饰后的SF水溶液作为打印墨水，实现了各种器官的高分辨率打印。利用光引发交联提高水凝胶的稳定性，打印出来的三维结构水凝胶具有较高的分辨率(图4c)和优异的回弹性(图4d)[57]。除SF分子修饰外，有研究报道在SF纳米/微米颗粒上修饰乙烯基团。将这些修饰后的颗粒与修饰了乙烯基团的壳聚糖共混，在紫外光下进行共聚，实现光交联SF水凝胶的制备[59]，成功在SF分子上修饰乙烯基团，使得单独的SF在紫外光下能够交联形成水凝胶网络，这将丰富光交联SF水凝胶的制备方法和拓宽SF水凝胶的应用范围。
本文编号：3439311
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