丝素蛋白基复合水凝胶的研究进展

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　　摘要： 丝素蛋白具有优异的易塑形性，使其与其他材料的复合成为可能。文章详细阐述了丝素蛋白与天然聚合物、化学合成来源聚合物形成复合水凝胶的制备方法、凝胶机制;系统地分析了丝素蛋白与其复合材料形成复合水凝胶后其性能和功能的变化;明确总结了复合后的优势和修饰性目的，并提出现如今存在的问题及丝素蛋白基复合水凝胶今后的研究方向，为进一步研制成型快、多功能、高性能的丝素蛋白基复合水凝胶及推动其在生物医学材料领域中广泛应用提供参考。
　　关键词： 丝素蛋白;复合水凝胶;功能;应用领域;进展
　　Abstract： Silk fibroin has excellent moldability， making it possible to blend with other materials. In this paper， the preparation method and gel mechanism of silk fibroin made into composite hydrogel with natural polymers and chemically synthesized polymers are described in detail. The changes in the properties and functions of silk fibroin and its composites after forming composite hydrogels are systematically analyzed. The advantages and modification purposes of composite hydrogels are clearly summarized. Finally， the paper puts forward the existing problems and future research directions of silk fibroin-based composite hydrogels. It also provides a reference for the further development of fast-forming， multifunctional and high-performance silk fibroin-based composite hydrogels and their wide application in the field of biomedical materials.
　　Key words： silk fibroin; composite hydrogel; function; application field; progress
　　凝胶是一种半固体胶质溶液，而溶液为水的凝胶称水凝胶。形成凝胶的原因是分子之间形成了立体网状交联结构，在该结构中，介质被包围在网眼中间，不能自由流动，因而形成半固体。水凝胶根据原料，分天然衍生材料水凝胶和合成聚合物水凝胶[1]，根据对外界刺激响应情况来分，有传统水凝胶和智能水凝胶，传统水凝胶对环境变化不敏感，而智能水凝胶对外界环境因素具有響应性。近年来，智能水凝胶作为一种新型三维高分子材料迅速发展，在药物缓释、骨缺损修复及组织工程等领域已取得了重大进展[2]，如用于药物递送的温敏性水凝胶[3]，具有环境友好特性的光敏性水凝胶[4]，能够更好地运输电子和离子的导电水凝胶[5]，能够快速响应的磁性水凝胶[6]，机械性能较高的强力水凝胶[7]。
　　为避免单一材料制备的水凝胶应用受限，人们研究使用两种或两种以上的材料制备水凝胶[8]，即复合水凝胶。复合水凝胶集诸多优势，已逐步成为研究的热点。目前国内蚕丝应用技术的发展来看，无论从历史文化角度还是产业制造角度，在国际市场上已产生了无法替代的影响力，这对蚕丝新产品的研发、利用是十分有利的。迄今为止，国内外对丝素蛋白的研究已取得丰硕的成果[9]，并广泛用于生物医学领域，主要原因是丝素蛋白具有良好的生物相容性[10]。本文综述丝素蛋白基（silk fibroin，SF）复合水凝胶研究现状，并详细阐述天然高分子聚合物的复合水凝胶和化学合成来源聚合物的复合水凝胶的特点和应用，以及复合后性能的变化。
　　1 丝素蛋白与天然聚合物复合
　　天然聚合物材料具有优异的生物降解性和可再生性，为改善材料结晶性差、细胞黏附性差等缺陷，研究人员将天然聚合材料如纤维素衍生物、壳聚糖、明胶和透明质酸等与丝素蛋白复合，制成复合水凝胶（表1），以期应用于更广泛的领域。
　　1.1 丝素蛋白与纤维素衍生物复合
　　纤维素是植物细胞壁的主要成分，是地球上最丰富的有机聚合物，也是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖。研究人员将纤维素与丝素蛋白材料制备成复合水凝胶，使其应用更加广泛。
　　Kim等[11]制备了丝素蛋白/纤维素水凝胶，通过体外细胞培养试验发现，由于丝素蛋白的共混，改善了细胞的生长环境，因而与纯纤维素水凝胶相比，丝素蛋白促进了该复合水凝胶的细胞黏附和生长。Park等[12]制备了丝素蛋白/甲基纤维素（SF/MC）混合水凝胶，研究表明，在MC分子的存在下，SF/MC溶液中SF分子从无规卷曲到β折叠结构的转变受到抑制，因此延长了凝胶时间，可用于药物缓释。
　　羟丙基甲基纤维素（HPMC）是一种纤维素醚衍生物，因其甲氧基和羟基的疏水作用，最低临界溶解温度（LCST）位于75～90 ℃[13]。Luo等[14]制备了丝素蛋白/羟丙基甲基纤维素（SF/HPC）复合水凝胶，研究结果表明，HPMC分子与SF分子之间的疏水相互作用引起SF分子链相结构转变，即从无规卷曲到β折叠结构，这些转变均匀地起到交联位点的作用，分布在整个水凝胶中，致使凝胶结晶结构增强，其力学性能优于纯羟丙基甲基纤维素水凝胶。此外，杨宇红等[15]制备了丝素蛋白和羟丙基纤维素（SF-HPC）共混水凝胶，当温度升至37 ℃时，羟丙基分子链间的疏水作用增强，致使丝素蛋白发生无规则相向β折叠结构的转变，直至形成凝胶网络，这种水凝胶具有显著的触变性，成为一种新型可注射水凝胶。 　　根据纤维素表面基团的变化，SF与纤维素的复合既可以促进SF凝胶，也可以延缓SF的凝胶速度，说明，纤维素具有干扰SF凝胶速度的作用。
　　1.2 丝素蛋白与壳聚糖复合
　　甲壳素来源极为广泛，壳聚糖（CS）是甲壳素的N-脱乙酰基产物，具有优异的可降解性和抑菌性，研究人员将其混入丝素蛋白水凝胶中，制得丝素蛋白/壳聚糖复合水凝胶，应用于生物医学领域[16]。
　　马育栋等[17]采用共混法制备了丝素蛋白/壳聚糖复合水凝胶，因壳聚糖本身具有促进血液凝固、伤口愈合的作用，因此制得的丝素蛋白/壳聚糖复合凝胶可用于抑菌止血。骆井万[18]利用β甘油磷酸钠诱导制备了丝素蛋白/壳聚糖共混水凝胶，可明显促进细胞的黏附和生长。王嘉琪[19]以β甘油磷酸钠为基质制备了丝素蛋白/壳聚糖共混凝胶，并用于修复角膜化学伤试验中，结果表明，当丝素蛋白和壳聚糖制备比为1︰1时，各项理化性质较好，对角膜化学伤有促进修复的作用。
　　SF溶液与壳聚糖溶液混合而成的溶液，很难发生凝胶行为，因此要制备SF/CS复合水凝胶，需添加一定量的凝胶剂或β甘油磷酸钠等基质进行诱导。SF与CS复合而成的水凝胶一方面增加了SF水凝胶抑菌止血的功效，另一方面也提高了壳聚糖水凝胶对细胞的黏附和增长能力。
　　1.3 丝素蛋白与明胶复合
　　明胶（G）是一种高分子多肽混合物，由胶原变性而成，可通过部分水解获得可溶性蛋白质[20-21]。明胶凝胶是通过分子间氢键结合成物理网络[22]，具有热逆变性，广泛用于食品工业、制药、化妆品、照相行业等技术领域[23]。
　　Gil等[24]混合明胶溶液和丝素蛋白溶液，通过甲醇诱导促进丝素蛋白结晶形成凝胶，研究发现，在37 ℃时丝素蛋白/明胶（SF/G）水凝胶在水中膨胀的程度始终高于20 ℃。其原因是混合水凝胶网络中的明胶在37 ℃下具有更大的水吸附能力，这种独特的温度特性使复合水凝胶应用于刺激响应性递送载体的制备。
　　在生物医用如骨和软骨领域中，需要材料能够承受高应力，而水凝胶的高含水量使得材料机械性能差强人意。互穿聚合物网络（IPN或IPNs）是由两种或两种以上聚合物通过网络的互相贯穿缠结而形成的一类独特的聚合物共混物或聚合物合金，IPN的聚合物組分之间通常不存在化学键，仅是组分聚合物之间存在交联网络的互相贯穿、缠结[25]。采用IPN技术制备的水凝胶称为互穿网络水凝胶。为了进一步改善机械性能，Park等[26]先用微生物转谷氨酰胺酶（mTG）处理明胶和丝素蛋白的混合溶液，使明胶中的谷氨酸和赖氨酸之间产生共价交联，再浸入乙醇中诱导丝素蛋白β折叠，使丝素蛋白物理交联。如图1所示，将得到的IPN水凝胶在水中溶胀并冻干，在明胶/丝素蛋白混合溶液中溶解冻干的IPN上重复之前的交联过程，形成IPN的第二层，制得明胶/丝素蛋白IPN水凝胶[26]。研究结果表明，由于添加的另一层IPN进一步增强了机械性能，使得该水凝胶显示出良好的机械性能。
　　SF与明胶的复合利用了明胶溶胀度高的特点，既能使SF水凝胶在不同的温度吸水能力不同，也能通过使用物理交联方法增强SF水凝胶的力学性能，进而说明明胶分子链中的活性基团对SF水凝胶具有改性作用。
　　1.4 丝素蛋白与透明质酸复合
　　透明质酸（HA）是免疫中性多糖[27]，在人体中普遍存在，是细胞外基质的重要组成部分，在细胞信号传导、伤口修复等领域广泛应用[28]。丝素蛋白/透明质酸复合水凝胶具有较小的细胞毒性，有利于细胞增殖[29]，是良好的生物医用材料。
　　Hu等[30]采用超声波方法诱导丝素蛋白和透明质酸混合溶液形成凝胶，其原理是超声条件下，丝素蛋白可形成部分β折叠结构。而透明质酸大分子链不能形成凝胶，β折叠结构将透明质酸和部分无规则结构的丝素蛋白包裹，形成均匀的SF/HA复合水凝胶。该复合水凝胶因透明质酸的加入，改善了丝素蛋白水凝胶的溶胀性能。
　　Raia等[31]利用辣根过氧化物酶促进丝素蛋白和透明质酸混合液交联形成凝胶，研究发现，SF/HA复合水凝胶的降解速率比纯HA水凝胶的降解速率慢，是由于HA水凝胶自身存在的透明质酸酶使其迅速降解，而丝素蛋白水凝胶的降解速率较慢，据此增加复合水凝胶中的HA浓度可提高降解速率。Yan等[32]加入交联剂制备了丝素蛋白/透明质酸水凝胶，缩短了凝胶时间，这有利于装载药物的凝胶在临床中的使用。
　　SF与HA复合而成的水凝胶主要成分是多糖和蛋白质，一方面可以较好地吸收水分，改善SF水凝胶溶胀性能;另一方面利用人体软组织仿生学原理，可很好地模拟人体软组织的内环境。此外，SF/HA复合水凝胶优异的快速降解性能也使其在软组织修复领域中具有一定的潜力。
　　综上所述，虽然丝素蛋白与天然聚合物复合而成的水凝胶较单纯丝素蛋白水凝胶而言，抑菌止血或细胞黏附性等有较大的改善，但对于力学性能要求较高的骨科医学领域，仍需通过一定的物理或化学方法进行改善，才能更好地实现丝素蛋白材料的生物医用价值。
　　2 丝素蛋白与化学合成来源聚合物复合
　　与天然聚合物相比较而言，化学合成聚合物种类丰富，其弹性形变和强度等力学性能更具优势。丝素蛋白与化学合成的高分子聚合物如聚氨酯、聚（N-异丙基丙烯酰胺）、泊洛沙姆和聚乙二醇等形成的水凝胶材料（表2），在研究领域中也占据着极大的比重。
　　2.1 丝素蛋白与聚氨酯复合
　　聚氨酯（PU）是一类主链上含有很多氨基甲酸酯基团（—NHCOO—）的高分子聚合物，通常由异氰酸酯类化合物和多元醇类化合物通过加聚反应制备而成[33]。聚氨酯优异的生物相容性、韧性等特点，使其成为用于生物医学领域的主要聚合物之一[34-35]。近年来，将丝素蛋白和聚氨酯的理化性能结合起来的研究越来越多。
　　张宝萍等[36]制备了丝素蛋白/聚氨酯复合水凝胶，因聚氨酯高分子链段带有亲水性基团，使得复合水凝胶溶胀吸水能力增强，表现出优异的渗透、溶胀、保水性能。Hu等[37]用化学交联法制备了聚氨酯/丝素蛋白复合水凝胶，研究表明，该复合水凝胶的物理和机械性能可以模拟人体髓核的生理行为，可用作人工髓核的材料。在此试验基础上，Huang等[38]进一步优化了试验，制备了不同交联密度的SF/PU复合水凝胶，研究表明，SF/PU复合水凝胶有望成为可注射人工椎间盘髓核或控制药物释放的材料。 　　SF/PU复合水凝胶，实质是SF中的氨基（—NH2）与PU中的异氰酸酯基（—NCO）交联而成。聚氨酯中的亲水基团，可改变SF水凝胶的溶胀率。因此，可通过调节亲水基团的组分含量控制SF水凝胶的溶胀率。
　　2.2 丝素蛋白与聚（N-异丙基丙烯酰胺）复合
　　聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）是由N-异丙基丙烯酰胺单体聚合而成。该单体结构中含亲水性酰胺基团和疏水性异丙基基团，形成的聚合物链由于亲水-疏水性平衡，致使PNIPAAm水凝胶在水介质中表现出约32 ℃的体积相变温度，这种特殊的结构使PNIPAAm水凝胶成为温度敏感型智能水凝胶材料之一[39-40]。但PNIPAAm水凝胶韧性差、易碎并且响应速率变慢，为克服这些弊端，研究人员将丝素蛋白引入，制得SF/PNIPAAm复合水凝胶。
　　Gil等[41]将丝素蛋白溶液和NIPAAm单体溶液混合后，再加引发剂、交联剂、催化剂充分搅拌后聚合成复合凝胶，研究证明，丝素蛋白水凝胶中的β折叠结构，增强了PNIPAAm凝胶网络的机械性能。刘羿君等[42]将约2 mm的丝素蛋白纤维加入NIPAAm单体溶液中，在引发剂和交联剂的作用下，制备了SF/PNIPAAm复合水凝胶，该复合水凝胶的力学性能较PNIPAAm水凝胶有所增强，同时也提高了对温度的响应速率。Wang等[43]制备了SF/PNIPAAm复合水凝胶，结果发现，纯SF呈不规则层状和多孔海绵状结构，PNIPAAm的加入使得复合水凝胶呈网状多孔海绵结构，该结构为体外细胞浸润和生长提供了适当的空间。
　　SF/PNIPAAm水凝胶形成的网络结构，一方面增强了PNIPAAm凝胶的机械性能，另一方面也提升了温度的响应速率，说明SF的引入有助于改善PNIPAAm水凝胶的性能。
　　2.3 丝素蛋白与泊洛沙姆复合
　　泊洛沙姆是一种聚氧乙烯/聚氧丙烯（PEO-PPO-PEO）的三嵌段共聚物，具有生物相容性，可控释药物，制备简单，成本低等优良性能[44]，广泛用于烧伤创面敷料、眼部药物、药物释放等医用领域[45-46]。因丝素蛋白水凝胶的凝胶时间较长，为缩短凝胶时间，研究人员将丝素蛋白与泊洛沙姆混合，制备出丝素蛋白/泊洛沙姆复合水凝胶。
　　Kang等[47]制備了丝素蛋白/泊洛沙姆复合水凝胶，研究发现，泊洛沙姆的引入可加速SF从无规卷曲到β结构的转变，其主要原因是泊洛沙姆的亲水基团吸收水分子，使SF的构象发生变化，进而改变了丝素蛋白的胶凝时间。此外，因泊洛沙姆与SF之间的疏水相互作用及SF分子之间的氢键作用，使SF的凝胶化行为呈可逆现象。这个特征使该水凝胶在医学领域中应用更加广泛。
　　为探讨泊洛沙姆对丝素蛋白凝胶速度的影响因素，邓春闽等[48]通过改变泊洛沙姆的相对分子质量和混入比制备不同的丝素蛋白/泊洛沙姆复合水凝胶，结果表明，调节泊洛沙姆的相对分子质量和混合比这两个因素可实现控制水凝胶的凝胶速度。在此基础上，为探讨丝素蛋白/泊洛沙姆复合水凝胶对药物释放速率的影响，邓春闽等[49]研究了该水凝胶对阿司匹林与吲哚美辛两种药物的体外释放性能，结果表明，泊洛沙姆的相对分子质量和泊洛沙姆/丝素蛋白的混合比两种因素对两种药物的释放速率有影响，这为泊洛沙姆/丝素蛋白复合水凝胶在药物释放领域的应用提供了试验依据。
　　如果构成IPN的两种聚合物中，其中的一种为线性或者直链分子形式存在，而另一种被交联，由这种方式形成的IPN称半互穿聚合物网络（SIPN）[50-51]。采用SIPN技术制备的水凝胶称为半互穿网络水凝胶，也能增加材料的机械性能。Yoo等[52]制备了丝素蛋白/泊洛沙姆半互穿网络水凝胶，研究表明，该复合水凝胶与纯SF水凝胶相比较，具有更高的机械强度。
　　丝素蛋白/泊洛沙姆复合水凝胶，通过改变泊洛沙姆的相对分子质量和丝素蛋白/泊洛沙姆的混合比，既能调节SF的凝胶速率，也能调节药物释放速率。说明在一定条件下，泊洛沙姆的分子基团可使SF的凝胶结构发生改变。
　　2.4 丝素蛋白与聚乙二醇复合
　　聚乙二醇（PEG）是指环氧乙烷的寡聚物或聚合物，具有良好的生物降解性和生物相容性，因其亲水、无毒且不具有抗原性和免疫原性，被广泛用于生物医用领域，如用于药物控释的微粒和凝胶材料等[53-55]。研究人员发现，聚乙二醇加入丝素蛋白水溶液中，可影响凝胶时间。
　　Wang等[56]制备了丝素蛋白/聚乙二醇（SF/PEG）复合水凝胶。研究结果表明，PEG相对分子质量和浓度是影响凝胶时间的主要因素，该复合水凝胶虽降解时间长，但有利于细胞生长和分化。为研究SF/PEG复合水凝胶的药物释放性能，Yu等[57]将PEG和含有药物的丝素蛋白溶液混合，把该溶液注射到小鼠内耳，30 min后形成凝胶。试验结果表明，该原位形成的复合水凝胶将药物持续控制释放至内耳，并对中耳和内耳无不良影响，因此，证明SF/PEG复合水凝胶可成为药物释放有效且安全的载体。
　　SF/PEG的复合，能通过改变PEG相对分子质量和浓度控制SF的凝胶化时间，这一特点可用于药物缓释。
　　综上所述，化学合成来源聚合物的大分子基团会影响SF水凝胶的结构构象，致使SF水凝胶的韧性、环境响应性或保水性有极大的改善，并且通过一定的物理或化学交联形成的凝胶网络结构，可增强水凝胶的机械性能。这些特征使SF水凝胶在医学领域中得到广泛的应用。但化学合成来源聚合物的制备过程，对环境也会造成不可忽略的恶劣影响，因此笔者认为，既能环境友好又有优良性能的丝素蛋白基复合水凝胶是未来研究的方向之一。
　　3 结 论
　　丝素蛋白基复合水凝胶在医学上的应用极大地促进了其在生物材料领域的研究和发展，无论与天然聚合物还是与化学合成来源聚合物复合，都已取得了诸多的研究成果，如可实现凝胶化时间控制的丝素蛋白/纤维素复合水凝胶，丝素蛋白/泊洛沙姆复合水凝胶和丝素蛋白/聚乙二醇复合水凝胶等;具有抑菌止血功效的丝素蛋白/壳聚糖复合水凝胶;保水性优良的聚氨酯/丝素蛋白复合水凝胶等。但是，仍有一些问题需要解决。例如，如何设计出同时满足高机械性能和抑菌止血功效的丝素蛋白和天然聚合物复合水凝胶，仍需开展大量的研究工作。此外，丝素蛋白基复合水凝胶在伤口愈合、修复、药物缓释载体和环境响应等领域的应用研究，仅停留在细胞培养或小动物模型层面，如何过渡到临床应用，甚至商业化生产，仍需更多的研究探索。 　　笔者认为丝素蛋白基水凝胶的发展，一方面应该结合多种性能优良的材料取长补短，制备多功能材料，以适应市场需求，如根据不同类别的刺激响应发射不同的生物信号;另一方面，充分研究材料结构和生物学性能之间的关系，以期为实现临床应用的目标夯实基础。
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