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UV光固化讓蠶繭變成了高性能生物水凝膠

  水凝膠是一種三維結構的聚合物,具有高水含量、內部多孔結構以及和濃度相關的剛性。水凝膠內部相通的多孔結構,提供了傳輸水、營養物質和藥物的通道。

  對水凝膠可以根據其物質組成、制造條件以及對不同刺激物的反應情況進行分類。根據其物質組成的方式可以分為物理和化學的膠體。物理水凝膠是一種簡單的纏繞系統,而化學水凝膠則是交聯的聚合物,是一種通過交聯得到的共聚物。化學交聯的水凝膠可以把憎水的聚合物單元引入到親水的聚合物之中,形成互穿網絡的結構。如何采用新的方式方法引入交聯結構來開發功能性的水凝膠,具有很大的需求。


  為了改善蠶絲蛋白水凝膠的性能,常規方法常不能滿足不同生物醫藥應用所需要的機械力學性能。最近基于蠶絲蛋白的水凝膠也被廣泛用于3D生物打印,但對于物理或者化學共價交聯點的引入,常常會對流變性能、可打印性能,以及生物相容性形成負面的影響。  從蠶絲分離出來的蠶絲蛋白是被廣泛使用和研究的生物高分子,是一種被各種生物醫藥應用廣泛使用的有效的生物材料。當蠶絲蛋白被引入到各種機體結構中時,表現出非常好的機械性能。在不同的條件下,它可以形成水溶液、薄膜、微球、凝膠、微粒子和納米粒子、單絲、納米管和3D多孔結構等。

圖1 核黃素(維生素B2)的分子結構式

  在這種情況下,產生了通過光固化方式引入其他的生物活性分子來制造蠶絲蛋白水凝膠的方法。核黃素(維生素B2)可以作為光敏劑,它能夠產生氧自由基,從而在蠶絲蛋白聚合物鏈上引入共價交聯鍵。來自蘇州大學的盧神舟教授等人,通過表面活性劑來在蠶絲蛋白上引入凝膠結構,再通過將蠶絲蛋白和聚N-乙烯基吡咯烷酮混合,并光聚合交聯得到了互穿網絡結構的水凝膠。這種光固化的蠶絲蛋白水凝膠表現出了更好的物理機械性能、優異的生物相容性、彈性以及高透明性。

圖2 采用光固化方法制作水凝膠的示意圖

  制作蠶絲蛋白水凝膠的第一步是需要制備蠶絲蛋白。將蠶繭切成小片然后在0.01M濃度的Na2CO3/NaHCO3溶液中煮沸三次來脫膠。之后清洗、烘干,并溶解在9.3M濃度的LiBr中,再經過其他后處理。溶液最后在6,200rpm轉速下離心處理15分鐘來去除雜質和沉淀物。

  實驗所使用配方的蠶絲蛋白濃度分別為10,20,30,40和50mg/mL,核黃素濃度固定為0.1mM,辣根過氧化物酶(HRP)濃度固定為10U/mL。采用氧氣發生器來不斷的輸送氧氣到盛裝了溶液的燒杯中。固化光源的波長為365納米,功率300W/m2。曝光制備水凝膠的時間為30分鐘。

圖3 采用光固化方法來制備蠶絲蛋白水凝膠

  通過電子掃描顯微鏡相片顯示,純的蠶絲蛋白以及所有的核黃素/蠶絲蛋白水凝膠都表現出了多孔的結構。濃度為30mg/mL的純水凝膠出現大量的膜層,但是缺乏大孔的結構。蠶絲蛋白含量為30mg/mL的光固化水凝膠表現出來的孔最為均勻而規律。

圖4 水凝膠界面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。核黃素濃度固定為0.1mM,蠶絲蛋白濃度分別為(A) 10mg/mL,(B) 20mg/mL,(C) 30mg/mL,(D) 40mg/mL,(E) 50mg/mL。(F) 不含核黃素的純蠶絲蛋白水凝膠,濃度30mg/mL

  通過廣角X射線衍射(XRD)測量顯示,光固化水凝膠表現出典型的非結晶結構狀態。隨著蠶絲蛋白濃度的增加,光固化核黃素/蠶絲蛋白水凝膠的光穿透率可以達到90%。當蠶絲蛋白濃度超過30mg/mL之后,光穿透率不再增加。這表明固含量在太高或太低情況下,由于交聯點的不均勻分散導致散射現象加劇,從而降低了水凝膠的透明性。

圖5 核黃素/蠶絲蛋白水凝膠在550nm波長可見光的光穿透率

  對材料的物理機械性能測試表明,隨著應力的增加壓縮壓力也會持續增加。這些光固化的水凝膠材料和純的蠶絲蛋白相比,都表現出優秀的還原能力,這說明材料中的交聯點起到了很大的功能。光固化水凝膠的回彈性在蠶絲蛋白濃度為30mg/mL的時候達到最高值。

  對材料的體外水凝膠酶降解實驗表明,光固化的蠶絲蛋白水凝膠更容易降解。這是因為光固化之后的水凝膠因為有交聯點的存在,從而形成了一種無定型的結構,這相對于結晶結構的水凝膠更加容易降解。

圖6 光固化水凝膠的降解模式

  對水凝膠材料的細胞增殖實驗表明,光固化水凝膠由于其降解情況的存在,細胞相對來講更難附著一些。但和純蠶絲蛋白相比的差別并不大,這說明核黃素的加入對蠶絲蛋白水凝膠的細胞相容性并無大的負面影響。

  實驗表明核黃素是一個有效的光敏劑,在紫外光的照射下會產生單線態的分子氧,從而產生氧自由基引發交聯反應。隨著在蠶絲蛋白上面的氨基、酚基,及其他官能團上面形成的化學交聯點的增加,水凝膠的密度也增加。核黃素的添加同時也還會帶來額外的生物活性的優勢。通過改變蠶絲蛋白的濃度可以制造滿足不同組織工程和生物打印要求的光固化水凝膠。采用其他類型的光引發劑和光敏劑的方法通常會帶來殘留物毒性的問題,但本工作的方法不會帶來生物毒性問題,而且是一種非常簡單、快速的從溶液轉換成凝膠的方法。

圖7 核黃素/蠶絲蛋白水凝膠的機理示意圖

  盧神州教授等人的這一工作,采用核黃素作為生物光敏劑,以辣根過氧化物酶作為催化劑,制備了新型的蠶絲蛋白水凝膠。該水凝膠的性能優越,壓縮比達到80%,光透過率超過90%,壓縮強度超過40kPa,彈性恢復超過80%。同時相對于純的蠶絲蛋白水凝膠具有更快的降解性能,并具有足夠好的生物細胞附著和增長性能。

參考文獻

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.

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