再生丝素蛋白材料的热塑加工方法

蚕丝是一种天然的蛋白质生物高聚物，具有优异的机械性能，在丝绸纺织品和外科缝合线的应用具有千年历史。蚕丝在药物输送载体、组织工程和再生医学的支架材料等领域进行了广泛的研究和应用。丝素蛋白主要由分子量为325KD和25KD两种蛋白组成，其中GAGAGS重复序列自组装成反向平行折叠链构象（anti-parallel β-sheet），该结构赋予蚕丝具有优异力学和缓慢降解的特性。

图1 蚕丝处理、热塑加工和不同结构样品

早期对蚕丝独特结构和性能的研究表明，蚕丝中的β-片状结晶结构在热处理过程中会在熔融前降解。从那时起，制备再生丝素蛋白材料的典型方法通常涉及丝素溶液衍生的加工方法，加工成凝胶、微球、海绵、薄膜、管状支架等，通过醇试剂或湿热蒸汽等进一步结晶。丝素蛋白溶液的稳定性、残留试剂去除、加工成本和效率方面具有固有的局限性。

图2 丝素蛋白硬币和条块状结构（125℃，632 MPa）

近期David L. Kaplan团队报道了一种将再生丝素蛋白直接固态模塑成具有可调机械性能的大块“零件”或器件的热处理方法。丝素蛋白溶液经冷冻干燥、研磨粉碎获得的超低β-折叠结构含量（＜1%）的非晶纳米颗粒，含水量（5.0±0.5 wt%），在高温（65℃、95℃、125℃或145℃）、高压（632 MPa）下，非结晶纳米颗粒在结合水的辅助下，通过分子重排和自组装进行热熔合，形成具有生物相容性、降解性和机械加工性的坚固体材料。

图3 不同制备温度下，热塑材料的体外降解后残余重量

温度越高，热塑材料的降解速率越慢。体外降解性方面，125℃或145℃条件下制备的管状结构支架，在PBS溶液中浸泡72h后，剩余质量分别为62.8±1.3% 和79.9±0.8%。在体内生物相容性方面，丝素蛋白骨钉（145℃，632 MPa）在大鼠骨组织植入4周后，材料周围有新生骨形成，无明显炎症反应。

图4 丝素蛋白骨钉（145℃，632 MPa）大鼠植入4周后组织学图片

这项技术解决了直接热处理蚕丝的局限性，为将蚕丝加工成多种新的材料形式和具有定制性能和功能的复合材料提供了一种新方法。

原文：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0560-8

参考文献：

 [1] Guo C, Li C, Vu HV, et al. Thermoplastic moulding of regenerated silk. Nat Mater. 2020. 19(1): 102-108.