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  水凝胶是一种三维结构的聚合物,具有高水含量、内部多孔结构以及和浓度相关的刚性。水凝胶内部相通的多孔结构,提供了传输水、营养物质和药物的通道。

  对水凝胶可以根据其物质组成、制造条件以及对不同刺激物的反应情况进行分类。根据其物质组成的方式可以分为物理和化学的胶体。物理水凝胶是一种简单的缠绕系统,而化学水凝胶则是交联的聚合物,是一种通过交联得到的共聚物。化学交联的水凝胶可以把憎水的聚合物单元引入到亲水的聚合物之中,形成互穿网络的结构。如何采用新的方式方法引入交联结构来开发功能性的水凝胶,具有很大的需求。


  为了改善蚕丝蛋白水凝胶的性能,常规方法常不能满足不同生物医药应用所需要的机械力学性能。最近基于蚕丝蛋白的水凝胶也被广泛用于3D生物打印,但对于物理或者化学共价交联点的引入,常常会对流变性能、可打印性能,以及生物相容性形成负面的影响。  从蚕丝分离出来的蚕丝蛋白是被广泛使用和研究的生物高分子,是一种被各种生物医药应用广泛使用的有效的生物材料。当蚕丝蛋白被引入到各种机体结构中时,表现出非常好的机械性能。在不同的条件下,它可以形成水溶液、薄膜、微球、凝胶、微粒子和纳米粒子、单丝、纳米管和3D多孔结构等。

图1 核黄素(维生素B2)的分子结构式

  在这种情况下,产生了通过光固化方式引入其他的生物活性分子来制造蚕丝蛋白水凝胶的方法。核黄素(维生素B2)可以作为光敏剂,它能够产生氧自由基,从而在蚕丝蛋白聚合物链上引入共价交联键。来自苏州大学的卢神舟教授等人,通过表面活性剂来在蚕丝蛋白上引入凝胶结构,再通过将蚕丝蛋白和聚N-乙烯基吡咯烷酮混合,并光聚合交联得到了互穿网络结构的水凝胶。这种光固化的蚕丝蛋白水凝胶表现出了更好的物理机械性能、优异的生物相容性、弹性以及高透明性。

图2 采用光固化方法制作水凝胶的示意图

  制作蚕丝蛋白水凝胶的第一步是需要制备蚕丝蛋白。将蚕茧切成小片然后在0.01M浓度的Na2CO3/NaHCO3溶液中煮沸三次来脱胶。之后清洗、烘干,并溶解在9.3M浓度的LiBr中,再经过其他后处理。溶液最后在6,200rpm转速下离心处理15分钟来去除杂质和沉淀物。

  实验所使用配方的蚕丝蛋白浓度分别为10,20,30,40和50mg/mL,核黄素浓度固定为0.1mM,辣根过氧化物酶(HRP)浓度固定为10U/mL。采用氧气发生器来不断的输送氧气到盛装了溶液的烧杯中。固化光源的波长为365纳米,功率300W/m²。曝光制备水凝胶的时间为30分钟。

图3 采用光固化方法来制备蚕丝蛋白水凝胶

  通过电子扫描显微镜相片显示,纯的蚕丝蛋白以及所有的核黄素/蚕丝蛋白水凝胶都表现出了多孔的结构。浓度为30mg/mL的纯水凝胶出现大量的膜层,但是缺乏大孔的结构。蚕丝蛋白含量为30mg/mL的光固化水凝胶表现出来的孔最为均匀而规律。

图4 水凝胶界面的扫描电子显微镜(SEM)图像。核黄素浓度固定为0.1mM,蚕丝蛋白浓度分别为(A) 10mg/mL,(B) 20mg/mL,(C) 30mg/mL,(D) 40mg/mL,(E) 50mg/mL。(F) 不含核黄素的纯蚕丝蛋白水凝胶,浓度30mg/mL

  通过广角X射线衍射(XRD)测量显示,光固化水凝胶表现出典型的非结晶结构状态。随着蚕丝蛋白浓度的增加,光固化核黄素/蚕丝蛋白水凝胶的光穿透率可以达到90%。当蚕丝蛋白浓度超过30mg/mL之后,光穿透率不再增加。这表明固含量在太高或太低情况下,由于交联点的不均匀分散导致散射现象加剧,从而降低了水凝胶的透明性。

图5 核黄素/蚕丝蛋白水凝胶在550nm波长可见光的光穿透率

  对材料的物理机械性能测试表明,随着应力的增加压缩压力也会持续增加。这些光固化的水凝胶材料和纯的蚕丝蛋白相比,都表现出优秀的还原能力,这说明材料中的交联点起到了很大的功能。光固化水凝胶的回弹性在蚕丝蛋白浓度为30mg/mL的时候达到最高值。

  对材料的体外水凝胶酶降解实验表明,光固化的蚕丝蛋白水凝胶更容易降解。这是因为光固化之后的水凝胶因为有交联点的存在,从而形成了一种无定型的结构,这相对于结晶结构的水凝胶更加容易降解。

图6 光固化水凝胶的降解模式

  对水凝胶材料的细胞增殖实验表明,光固化水凝胶由于其降解情况的存在,细胞相对来讲更难附着一些。但和纯蚕丝蛋白相比的差别并不大,这说明核黄素的加入对蚕丝蛋白水凝胶的细胞相容性并无大的负面影响。

  实验表明核黄素是一个有效的光敏剂,在紫外光的照射下会产生单线态的分子氧,从而产生氧自由基引发交联反应。随着在蚕丝蛋白上面的氨基、酚基,及其他官能团上面形成的化学交联点的增加,水凝胶的密度也增加。核黄素的添加同时也还会带来额外的生物活性的优势。通过改变蚕丝蛋白的浓度可以制造满足不同组织工程和生物打印要求的光固化水凝胶。采用其他类型的光引发剂和光敏剂的方法通常会带来残留物毒性的问题,但本工作的方法不会带来生物毒性问题,而且是一种非常简单、快速的从溶液转换成凝胶的方法。

图7 核黄素/蚕丝蛋白水凝胶的机理示意图

  卢神州教授等人的这一工作,采用核黄素作为生物光敏剂,以辣根过氧化物酶作为催化剂,制备了新型的蚕丝蛋白水凝胶。该水凝胶的性能优越,压缩比达到80%,光透过率超过90%,压缩强度超过40kPa,弹性恢复超过80%。同时相对于纯的蚕丝蛋白水凝胶具有更快的降解性能,并具有足够好的生物细胞附着和增长性能。

参考文献

Kuang, D., Jiang, F., Wu, F., Kaur, K., Ghosh, S., Kundu, S. C., & Lu, S. (2019). Highly elastomeric photocurable silk hydrogels. International Journal of Biological Macromolecules.