医用再生丝素蛋白材料制备与研究进展(2)
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【摘要】2.1 水凝胶 丝素蛋白水凝胶制备技术较为成熟,其内部结构与细胞外基质结构相似,因此具有很好的细胞亲和性,体内实验没有产生明显免疫反应,能够很
2.1 水凝胶
丝素蛋白水凝胶制备技术较为成熟,其内部结构与细胞外基质结构相似,因此具有很好的细胞亲和性,体内实验没有产生明显免疫反应,能够很好地促进组织修复,近年来丝素蛋白水凝胶越来越多地被应用于皮肤组织工程修复材料。丝素蛋白水凝胶也可以作为一种具有高吸水、高保水性能的新型高分子材料,且无毒无味[16-17]。
Kim[18]的研究证明水凝胶的形成是由于丝素蛋白大分子间存在相互作用力,包括氢键和疏水作用力。当再生丝素蛋白溶液受到外界作用力时,分子间作用力加强,生成凝胶。丝素蛋白水凝胶的加工方式主要有旋流剪切法、超声振荡法、酸处理等[19]。
2.1.1 旋流剪切法
旋流剪切方法简单易行,使用涡流振荡器高速剪切丝素蛋白溶液,即可形成水凝胶[20]。Yucel[21]用旋流剪切法制备了丝素蛋白水凝胶,设定振荡器的剪切速率为3 200 r/min,涡流产生梯度剪切力,诱导刚性水凝胶形成,刚性与丝素浓度有关。旋流剪切法制得的水凝胶刚性较大,可很好地弥补丝素蛋白的缺点,但也因此降低了材料的吸水性。
2.1.2 超声振荡法
超声凝胶方法是用超声波振荡器对再生丝素蛋白水溶液进行处理,诱导水凝胶的形成。John[22]将纳米管与质量分数为5%的再生丝素蛋白溶液混合,在pH值为12的条件下进行超声处理,再将溶液的pH降至4.5,制得由丝素蛋白和碳纳米管组成的水凝胶。这种胶凝过程可以通过将pH值调节到12来逆转。Wang[23]报道了一种利用超声加速和控制丝素凝胶化的方法。通过调节超声波的输出功率、处理时间、再生丝素蛋白溶液的质量分数,可以将凝胶化缩短至几小时甚至几分钟,并且可以在超声波处理之后、凝胶凝固之前在材料中添加细胞。超声波通过改变疏水水合作用促进了β-折叠结构的形成,从而加速物理交联,维持凝胶的稳定性。该水凝胶可以成功融合人骨髓间充质干细胞(hMSCs),维持细胞功能。超声波与旋流剪切处理一样,会造成丝素溶液局部高剪切力以诱导β-折叠结构生成,加速凝胶,并且这两种方法都不会引入可能引起抗原性反应的其他物质。
2.1.3 酸处理
酸凝胶是将一些弱酸化学试剂加入丝素蛋白溶液中,丝素蛋白的二级结构发生改变而形成凝胶。Matsumoto[2]通过向质量分数为7.2%的丝素蛋白水溶液中滴加稀释后的盐酸溶液或氢氧化钠溶液改变其pH值,使蚕丝蛋白产生凝胶,研究发现随着pH值增大,凝胶时间延长,但在pH值为6~9时,pH值对凝胶时间影响不大,且此时凝胶时间比在酸碱性溶液中都短。根据红外光谱和圆二色性实验结果,早期凝胶没有β-折叠结构生成。合理推测最初凝胶可能是由于氢键和静电相互作用,凝胶时间对pH值的依赖与丝素蛋白的酸性侧链相关。采用弱酸化学试剂得到的水凝胶,需要将酸试剂去除以降低对材料生物相容性的影响。经过透析处理基本可完全浸出多余的酸试剂。
2.1.4 自然凝胶法和浓缩凝胶法
将再生丝素蛋白水溶液置于流通的空气中,溶液会逐渐自行凝胶,这种凝胶方法称为自然凝胶法。自然凝胶需要的时间较长,凝胶材料性能也比较差,不适宜用作生物医用材料[20]。浓缩凝胶是将一定质量分数(通常3%~8%)的丝素蛋白水溶液置于再生纤维素透析袋中,将透析袋置于聚乙二醇水溶液中,则蚕丝蛋白水溶液中的水不断被吸出,使得其不断浓缩而形成凝胶,凝胶时间通常在1~2 d[20]。夏一菁等[24]将质量分数为5%~8%的不同丝素蛋白溶液与不同浓度的氧化石墨烯溶液充分混合均匀,真空脱泡后静置,记录凝胶形成的时间。结果显示氧化石墨烯在凝胶中分布均匀,凝胶主要结构为无规卷曲。氧化石墨烯与丝素蛋白之间存在的大量氢键和疏水相互作用提高了凝胶的力学性能,氧化石墨烯的加入还延长了凝胶的降解时间,为凝胶更好地应用于组织工程领域提供了研究思路。
2.1.5 电凝胶
将直流电源(一般为15~30 V)的两极分别通入丝素蛋白溶液中,电源正极会逐渐聚集丝素蛋白水凝胶。Leisk[25]在质量分数为8.4%的丝素蛋白溶液中通入25 V直流电,在铂丝阳极迅速产生凝胶,且形成的凝胶很黏稠。该研究发现电凝胶制备丝素蛋白水凝胶的过程是可逆的,交换电源的正负极时,原先聚集在电源正极的水凝胶会逐渐消失,又逐渐聚集到新的正极上。但若持续通电时间很长或采用高电压则此过程不可逆。
2.1.6 有机溶剂诱导法 文章来源:《生物数学学报》 网址: http://www.swsxxb.cn/qikandaodu/2021/0331/442.html