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丝胶蛋白纳米纤维的研究进展

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张显华 冯向伟 刘 凡 王力争

〔摘 要〕蚕丝主要由丝胶和丝素两种蛋白组成,丝胶蛋白是一种由18种氨基酸组成的优质高分子球状蛋白质,具有无毒、无害以及良好的生物相容性等性能,近年来逐步被应用到生物材料领域,同时在化妆品、医用敷料、食品等方面的应用有着较广阔的发展前景。在介绍了丝胶蛋白结构及性能的基础上,较全面地综述了近年来国内外丝胶蛋白纳米纤维的研究现状与进展,并指出丝胶蛋白纳米纤维在生物医学领域应用及其应用时存在的问题,并对今后的研究进行了展望。

〔关键词〕丝胶蛋白;纳米材料;研究现状;进展;问题

〔文献标识码〕 B 〔文章编号〕 1671-3389(2017)03-16-03

在100nm以下对原子、分子等进行操纵和加工称为纳米技术;他是在20世纪80年代末开始发展起来的,当前纳米技术是全球各个国家科技研究的一大热点[1]。1990年在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科技会议后,随着新世纪能源、信息等产业的高速发展,纳米材料已成为当今新材料研究中最具有活力的研究对象,被誉为“21世纪最有前途的材料”。静电纺丝技术是一种独特的纳米纤维制造技术,于1934年由Formhals获得专利[2]。由于纳米纤维具有尺寸小,比表面积大,独特的光、电、磁等特点,并且在催化、医药及新材料等方面具有特别的功能,所以近20多年来,静电纺丝技术凭借其电纺纳米材料的独特优势引发了人们大量的关注和研究,已应用在组织工程、伤口敷料、生物传感器等多个领域。蚕丝作为一种天然的大分子材料,其生物相容性良好,将蚕丝蛋白制备成再生纳米纤维材料在医学领域具有广阔的前景。丝胶蛋白作为一种天然高分子材料,具无毒、无免疫反应、抗氧化性、抗癌、抗菌以及良好生物相容性及生物降解性,当前备受多个应用领域的关注,已成为国内外的研究热点课题[3]。所以,开展丝胶蛋白的性能研究,开发丝胶蛋白纳米材料及应用产品,拓展丝胶蛋白资源利用,对于保护环境有十分重要的意义。以丝胶蛋白为原材料制备的纳米材料,可广泛应用于生物材料。本文主要综述了丝胶蛋白纳米纤维的研究现状与进展,以及目前研究中存在的问题。

1 丝胶蛋白的特点

蚕丝主要由丝胶和丝素两种蛋白组成。丝胶由蚕的中部丝腺分泌,是一种生物相容性优良而且亲水性好的高分子材料。其主要作用是包覆丝素,并且在丝素外面起粘合作用。由于丝胶的特点,在丝绸产品生产中,缫丝、精练等除去丝胶的工艺必不可少,可使丝绸服装的服用性能变得更好。同时在茧丝绸加工生产过程中,大量的丝胶被作为废弃液排放,不仅造成了生物资源的浪费,同时还污染了环境[4]。由于丝胶蛋白因环境的改变而改变性能,其结构也相对比较复杂,因此对丝胶蛋白的研究广度及深度不及丝素。丝胶作为纺织服装生产加工中的废品,将丝绸服装生产过程中排放废水中的大量丝胶蛋白变废为宝,赋予其新的生机并获得市场认可是摆在纺织领域、材料领域及政府部门面前的一个亟待解决的问题[5]。

蚕吐丝结茧形成的蚕丝,是由两根平行的丝素蛋白纤维和外包丝胶所构成,丝素占总质量的75%左右,而丝胶大约占25%左右。丝素和丝胶虽然都是蛋白质,但因为大分子结构及分子间的空间排列状态不同,所以他们各自具有不同的物理化学性能[6]。18种氨基酸组成的丝胶蛋白是一种球状蛋白,其中大部分氨基酸都含有强极性侧基[7-10]。

丝胶蛋白是天然大分子聚合物,由多种多肽组成,分子量在24~400kDa范围内[11];其生物相容性良好、免疫原性低,并具有细胞因子的作用等优点。Terada等[12]的试验证实了丝胶蛋白能促进细胞的黏附和增殖。Nomura的研究结果表明丝胶蛋白能抑制脂质过氧化作用和酪氨酸酶的活性[13]。Kundu和Pornanong Aramwit等证实了丝胶蛋白的免疫原性较低。目前已有很多文章证明丝胶蛋白可应用于纺织工程领域中的药物载体 。

2 丝胶蛋白复合纳米纤维的制备

Xianhua Z等人以去离子水为溶剂,在85℃条件下溶解分子量为33000的丝胶蛋白粉末,利用加热静电纺丝技术,制备了丝胶蛋白纳米纤维。SEM结果显示在浓度50%时,可以获得表面光滑及良好形态的丝胶蛋白纳米纤维。当加压距离为10cm时,电压在13~25kV范围内,随着电压的增加,丝胶蛋白纳米纤维的直径减小。Xianhua Z等人利用静电纺丝技术,采用三氟乙酸(TFA)为溶剂溶解“丝胶”。实验结果表明最佳的纺丝条件如下:丝胶蛋白溶液浓度为6%~8wt%,纺丝电压为25~32kV,纺丝距离为9cm等等。在本实验纺丝条件下,丝胶蛋白纳米纤维的平均距离为114~430nm。丝胶蛋白纳米纤维的结构为无归卷曲,经过甲醇处理后,结构转变为β-折叠结构。Xianhua Z 等人制备了丝胶/丝素复合纳米纤维材料。Md. Majibur Rahman Khan等以三氟乙酸为溶剂,利用静电纺丝技术纺制了丝胶蛋白纳米纤维材料。良好的丝胶蛋白纳米纤维材料形成的最主要因素是纺丝液浓度,当纺丝液浓度达到16.5%以上时,获得了表面光滑的丝胶蛋白纳米纤维材料。红外光谱图结果显示丝胶蛋白纳米纤维材料为无定形结构,热分析结果表明热分解温度明显降低。

李海滨等人利用静电纺丝技术,以六氟异丙醇(HFIP)作为溶剂,将从家蚕体内中部丝腺取得的丝胶蛋白与聚己内酯进行混纺,纺制了聚己内酯/丝胶蛋白纳米三维多孔支架。扫描电镜和透射电镜结果显示了丝胶蛋白纳米颗粒随机分布在聚己内酯纳米纤维的内部和外部。吕永钢等研究了聚己内酯/丝胶蛋白静电混纺膜炎症响应的评价。研究结果表明聚己内酯/丝胶蛋白混纺膜是一种安全的材料,有良好的生物相容性,具有广泛应用于组织工程的前景。同时证明了丝胶蛋白能够促进细胞的黏附和增殖。可能因为丝胶蛋白绝大部分是极性氨基酸,为细胞提供了许多结合位点,有利于促进细胞增殖和黏附。

赵锐等人制备了壳聚糖/丝胶蛋白复合纳米纤维敷料。研究结果揭示了其敷料的生物相容性良好,对大肠杆菌和枯草杆菌都具有良好的抗菌能力,在医学领域拥有较广的应用前景。

3 丝胶蛋白纳米纤维的应用前景

陈忠敏等人研究了丝胶蛋白的细胞相容性和抗菌性。研究结果表明:丝胶蛋白对细胞无毒性,丝胶浓度在一定范围内能促进细胞生长;其对大肠杆菌的抗菌性比金黄色葡萄球菌更明显,展现了其在生物材料领域广阔应用的前景;同时丝胶蛋白的生物相容性良好,有望应用于生物医学领域。

生物纳米材料具有较好扩散和渗透能力、吸附能力和化学活性,以及良好生物降解性等特点。随着纳米技术的进步,用纳米技术制造功能性生物材料,将加快推动纳米生物材料基础研究的步伐。目前丝胶蛋白纳米纤维的研究处于初步探索阶段。

总结

目前,丝胶蛋白的研究深度和开发利用广度还不及丝素,但是,丝胶蛋白的回收利用可以使丝绸制品生产中的大量丝胶再利用,对于提高经济效益及改善环境都起着重要的作用。尽管丝胶蛋白纳米材料的研究已经取得了一些成果,但是现阶段的研究仍然有很多不足。总结如下:

(1)丝胶蛋白分子量分布较广,静电纺丝技术使得丝胶蛋白纳米纤维的直径分布较广,在一定程度上限制了丝胶蛋白纳米纤维的应用范围。

(2)目前现有制备丝胶纳米材料的方法中难免要加入各种溶剂,而溶剂很可能残留在纳米材料中,这些残留物可能会影响其应用。

基金项目:河南工程学院博士基金项目(D2017005);河南省高等学校重点科研项目计划(17B540003);河南省科技攻关计划项目(172102210210);2016年地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目(201611517008)

参考文献

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

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

4.王雪云,朱良均,闵思佳等. 蚕丝丝胶蛋白的应用研究进展[J]. 中国蚕学会第七届青年学术研讨会论文集,721~726.

5.陈忠敏,陈枭,庞亚妮,李江峰,王富平. 丝胶蛋白应用于组织工程支架材料的研究进展[J].丝绸,2015, 52(4):25~30.

6.吕靖.蚕丝和蜘蛛丝的结构与生物纺丝过程[J].现代纺织技术,2004,12(1):40~42.

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8.陈华,朱良均,闵思佳等.蚕丝丝胶蛋白的结构、性能及利用[J].功能高分子学报,2001,19(9):344~345。

9.靳春平,邓连霞,朱良均. 蚕丝丝胶蛋白—— 一种功能性化妆品原料[J].蚕桑通报,2013,44(2):13~15.

10.朱良均,姓菊明,李幼禄.蚕丝蛋白的氨基酸组成其对人体的生理功能[J].中国蚕业,1997.69(1):42~44。

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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.

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