丝素蛋白复合材料的研究进展

丝素蛋白复合材料的研究进展丝素蛋白复合材料的研究进展唐春怡宁晚娥毛文洁林海涛(广西科技大学生物与化学工程学院，柳州545006)摘要丝素蛋白作为天然高分子，具有良好的生物相容性、可降解性，在医用材料、食品、化妆品方面作为复合材料组分的研究越来越受到重视。综述了丝素蛋白分别与壳聚糖、纤维素、角蛋白、聚乙烯醇、聚电解质、聚氨酯、无机硅和羟基磷灰石互配所制得的复合材料的研究进展，分析了丝素蛋白复合材料的发展趋势。关键词丝素蛋白，复合材料，进展ResearchprogressonsilkfibroincompositematerialsTangChunyiNingWaneMaoWenjieLinHaitao(CollegeofBiologicalandChemicalEngineering,GuangxiUniversitofScienceandTechnology,Liuzhou545006)AbstractSilkfibroinasanaturalpolymer,possessesgoodbiocompatibilityandbiodegradability.Thestudyonsilkfibroinasthecomponentofcompositesinmedicalmaterials,food,cosmeticsarepaidmoreandmoreattention.There-searchprogressonthecompositematerialsfromthecombinationofsilkfibroinwithchitosan,cellulose,keratin,polyvinylalcohol,polyelectrolyte,polyurethane,inorganicsilicon,hydroxyapatitewerereviewedrespectively.andthedevelopingtrendofthesilkfibroincompositeswasanalysed.Keywordssilkfibroin,compositematerial,progress近年来，天然高分子和合成高分子材料的应用范围已逐渐发展到临床修复和组织工程支架中。通常适合生物医用的材料必须具有良好的机械强度、良好的生物相容性、适度的生物降解性，尤其用作细胞生长支架时必须具有粘附细胞的能力。聚乳酸等聚酯类合成高分子虽然基本适于用作医用材料，但是其生物相容性不如天然高分子。随着材料科学、复合技术、临床医学以及生物工程等众多学科的交叉发展，尤其是组织工程学科的发展，利用天然高分子、改性合成聚合物或无机物材料之间复合改性的方法已成为制备创伤修复和组织重建功能材料的有效途径之一。丝素蛋白由Gly、Ala、Ser等18种氨基酸组成，具有两性电荷，是一种天然结构性蛋白[1]。它由蚕茧经脱丝胶而得，是自然界中生物相容性、可生物降解性良好的天然高分子。自20世纪以来，丝纤维已在医用领域中被用作缝合线。然而，丝素蛋白在膜状、管状等酶固定化基体、传感器、药物载体、人工皮肤、人工血管的制备中存在一些缺陷。例如，丝素蛋白经过溶解、成膜、干燥后脆性变大，限制了其实际应用范围。丝素蛋白复合技术的开发及其复合材料的研制，成为克服这些缺点的理想途径，也拓宽了这种蛋白质的应用范围。本研究对几类丝素蛋白复合材料的制备方法及其性能特点进行了总结，并提出了近期的发展方向。1丝素蛋白/天然聚合物复合材料1.1丝素蛋白/壳聚糖复合材料在多孔材料如海绵或支架材料的制造中，丝素蛋白分子虽然富含氨基酸的β-折叠晶区，但是非晶区的高收缩率通常使材料容易变形。为保持丝素蛋白的形状稳定性，Wongpanit等[2]将甲壳素晶须作为纳米填充剂，制得了一系列丝素蛋白/甲壳素复合海绵。甲壳素晶须不仅保持了复合海绵的形状稳定性，而且提高了抗压强度。同时，研究表明这种海绵具有多孔性和细胞相容性，有利于L929细胞铺展。Deveci等[3]利用丝素蛋白和壳聚糖通过凝聚法制备以正二十烷为核的相转移材料(PCM)微胶囊，其内层密实，外层则类似多孔的海绵。该研究表明，当丝素蛋白/壳聚糖的质量比为20∶80，交联剂含量为0.9%，正二十烷含量为1.5%时，微胶囊化系数达到最高值。这种环保型复合微胶囊在分离活性化合物、屏蔽异味和药物释放等方面具有巨大的应用价值。Basal等[4]制备了几种含植物提取物的丝素蛋白/壳聚糖复合膜。这类复合膜不仅克服了纯丝素蛋白膜脆性大的缺点，而且通过Folin-Cio-calteu比色法测定复合膜的酚含量，采用纸片扩散法和浊度法测试复合膜的抗菌能力。所得结果表明植物提取物赋予了薄膜良好的抗菌性。目前，鉴于壳聚糖的结构类似于氨基葡聚糖，以丝素蛋白为支架、壳聚糖为骨细胞生长的辅助物的复合载体逐渐被用于体外三维软骨组织支架的研究[5-6]。1.2丝素蛋白/纤维素复合材料天然纤维素的来源广泛、成本低，而且具有良好的机械性能，因而以纤维素及其衍生物为原料制备的增强复合材料引起了人们的兴趣。Yang等[7]将纤维素和丝素蛋白溶于铜氨溶液，然后经丙酮/醋酸混合溶液处理凝结成丝素蛋白/纤维素复合膜。成膜后，丝素蛋白与纤维素两组分的结晶度降低，但是它们的分子间形成较强的氢键作用，呈部分相容。进一步研究发现，纤维素/丝素蛋白的铜氨溶液经10%NaOH处理后,得到纤维素/丝素蛋白复合微孔膜。这种多孔膜的水渗透率随着丝素蛋白含量的增大而提高，可高达169mlm-2h-1mmHg-1。由于纤维素分子的多羟基结构，丝素蛋白/纤维素复合材料的研究主要倾向于探讨复合组分间的结晶行为，以及纤维素分子的刚性结构对复合物机械性能的影响[8-9]。据报道，采用氢氧化钠/尿素/硫脲/水溶液溶解丝素蛋白和纤维素来制备丝素蛋白/纤维素复合膜，所得复合膜的水溶液稳定性、水蒸汽透过系数较单组份膜有明显改善，丝素蛋白与纤维素之间的强烈的氢键作用使复合膜的断裂强度和断裂伸长率增大[10]。这种膜适合作为创敷材料。1.3丝素蛋白/角蛋白复合材料角蛋白是生物医学领域研究较多的一种蛋白质。由于它的溶剂种类少，相容性差，因而限制了其应用范围。近年来，研究者为改善角蛋白的生物相容性探索了制备角蛋白复合材料的有效途径[11-12]。丝素蛋白和角蛋白的复合物可通过混合两组分的水溶液制得,也可通过将两组分同时溶于甲酸中而制得[13]。Lee等[14]通过丝素蛋白和还原角蛋白的甲酸溶液制得了丝素蛋白/角蛋白复合膜，研究表明提高共混物的表面极性使蛋白质构象转变可能改变角蛋白的生物相容性。这些研究结果对蛋白质在许多领域的应用提供了理论借鉴。Baek等[15]报道了一种可吸附金属离子的丝素蛋白复合纤维毡，它在水净化方面具有潜在的应用前景。这种复合纤维毡通过静电纺丝丝素蛋白/羊毛角蛋白混合溶液而制得。当丝素蛋白和羊毛角蛋白的质量比为50/50时，两组分间产生稳定的分子间相互作用,使复合纤维毡不仅具有良好的热力学性能，而且在pH=8.5的条件下对Cu2+的吸收率远大于银丝对Cu2的吸收率。2丝素蛋白/合成聚合物复合材料2.1丝素蛋白/聚乙烯醇复合材料通常，合成聚合物具有优良的物理化学性质，因此它们在材料制备中被广泛使用。合成聚合物作为丝素蛋白复合材料的组分，优势互补，有效地提高了材料的性能。聚乙烯醇(PVA)属于水溶性聚合物，它能与丝素蛋白共溶于水中形成混合体系。Liu等[16]制备了再生丝素蛋白/聚乙烯醇/辣根过氧化物酶(HRP)复合薄膜，并基于该酶固定化薄膜构建了对过氧化氢具有灵敏性的亚甲基蓝介导传感器。利用循环伏安法和电流测量结果表明：在亚甲基蓝影响过氧化氢的生物电催化作用降低的情况下，玻碳电极和固定化的HRP之间仍具有通电效应。该薄膜不仅对温度和pH值具有高的响应性,而且检测限仅为0.1μmol/L。Um等[17]报道，溶剂的选择对铸膜的性能具有重要的作用,采用水和蚁酸作为丝素蛋白和PVA的共溶剂可有效提高共混膜的相容性，丝素蛋白分子呈β-折叠结晶形态，从而提高复合膜的机械性能。Wang等[18]通过丝素蛋白/聚乙烯醇复合膜进一步研究制备了聚乙烯醇含量小于5%的丝素蛋白微球，微球粒径分布从300nm至20mm。这种微球可用于不同的药物释放,微球的载药分布和载药量取决于其疏水性和带电荷量?据报道,研究者通过新的探索发现丝素蛋白与聚乙烯醇-甲基丙烯酸经光交联可制得三维网络结构的复合水凝胶[19]。这种结构稳定的复合水凝胶适合作为药物释放载体。2.2丝素蛋白/聚电解质复合材料聚电解质复合物(PECS)的相关基础研究和应用受到重视?天然蛋白质和多糖等聚合物常作为聚电解质复合物的原料。通常，聚电解质复合薄膜的制备主要通过组分间静电作用使蛋白质和聚电解质凝聚而制得。Malay等[20]通过pH诱导方法由丝素蛋白和透明质酸的水混合物浇铸制得不溶性的透明聚电解质复合薄膜。通过X射线衍射仪和傅立叶变换红外光谱仪对复合薄膜的监测表明，以pH诱导为主的制备条件下，复合薄膜仍存在结晶和非结晶区结构?这种制备聚电解质复合膜的方法也适用于凝胶?海绵及其它新型合成材料的加工，并且有利于精确地控制天然聚合物复合材料的性能参数。Bhardwaj等[21]研制了多孔型丝素蛋白/氨基多糖壳聚糖聚电解质复合支架，此种支架对猫科动物细胞的粘附作用良好，并且与体外细胞的相容，同时具有一定的抗菌性。2.3丝素蛋白/聚氨酯复合材料聚氨酯具有硬段和软段的特殊结构，呈现高强度高弹性等优良的机械性能。研究者于21世纪初开始利用聚氨酯为基体，与丝素蛋白等化合物混合制备复合材料。随着研究的深入，Liu等[22]利用聚氨酯的生物相容性将制得的丝素蛋白/聚氨酯复合膜应用于肝素的控释研究。研究表明，调节肝素的载入量、丝素蛋白与聚氨酯的比例和成膜厚度可以控制肝素的释放速率以及肝素的累积释放量。提高复合膜的厚度、肝素的载入量和丝素蛋白的含量，可有效地减缓肝素的释放速率，并保持良好的血液相容性。Bai等[23]研究了聚氨酯组分对丝素蛋白膜亲水性的调节，以及热稳定性的影响?当丝素蛋白粉末与聚氨酯的质量比为5:5时，复合膜各组分间的相容性良好，综合性能优异。Huang等[24]制备了具有多孔结构的丝素蛋白/聚氨酯水凝胶?聚氨酯链的氰基与氨基以及丝素蛋白上的羟基形成交联网络，使水凝胶的溶胀率可高达4.37%，弹性模量保持约为0.558MPa，具有潜在的药物控释性能。3丝素蛋白/无机物复合材料3.1丝素蛋白/含硅化合物复合材料有机物与无机物的特性差异大，将丝素蛋白与无机物复合有望使丝素蛋白获得新的功能。硅元素因其绝缘、耐热、耐候、耐水等独特的特性，常被应用于高性能材料的生产中。通常，丝素蛋白膜的制备中利用正硅酸乙酯经水解缩合法将硅复合到薄膜中，可制得组分分散性良好的无机-有机复合膜。Hou等[25]通过溶胶-凝胶法运用正硅酸乙酯和氨基丙基三乙氧基硅烷与丝素蛋白复合物制备无机-有机杂化生物复合材料，探讨了复合物中氧化硅颗粒的粒度对材料性能的影响，研究表明氧化硅与丝素蛋白分子间形成稳固的共价键，材料受热时可形成硅氧保护层而使复合材料的耐热性提高。Mieszawska等[26]报道，早期骨修复所需的胶原纤维和磷灰石材料通常来自于丝素蛋白/含硅化合物复合物。他们通过人体骨髓间质干细胞(hM-SCs)在丝素蛋白/含硅化合物复合生物材料上的骨细胞分化来测试该复合物的性能，研究发现含硅组分的添加有利于骨唾液蛋白(BSP)和Ⅰ型胶原蛋白(Col1)的基因表达。所含氧化硅粒径在24~2mm之间时，颗粒表面积较大，这有利于氧化硅通过颗粒溶解方式于体外发生生物降解，而且70d的降解幅度达5倍。丝素蛋白/含硅化合物复合生物材料有利于骨再生，对有机和无机组分的降解或重构具有可控性。3.2丝素蛋白/羟基磷灰石复合材料生物仿生技术发展越来越快，尤其是骨组织工程的发展使丝素蛋白的生物亲和性及高机械强度在人工肌腱、韧带等替代材料的制备中发挥作用?生物骨质中大约含70%的羟基磷灰石等无机物质和30%的有机物质。基于此，丝素蛋白和羟基磷灰石的复合化