丝素蛋白/琼脂糖水凝胶的制备及性能研究*

陈思皓 舒 浩 刘祖兰 李 智 代方银，2

(1.重庆市生物质纤维材料与现代纺织工程技术研究中心， 西南大学纺织服装学院， 重庆 400716；2.农业部蚕桑生物学与遗传育种重点实验室， 西南大学生物技术学院， 重庆 400716)

丝素蛋白/琼脂糖水凝胶的制备及性能研究*

陈思皓1舒 浩1刘祖兰1李 智1代方银1，2

(1.重庆市生物质纤维材料与现代纺织工程技术研究中心， 西南大学纺织服装学院， 重庆 400716；2.农业部蚕桑生物学与遗传育种重点实验室， 西南大学生物技术学院， 重庆 400716)

本研究利用丝素蛋白与不同浓度的琼脂糖混合的方法，制备成丝素蛋白/琼脂糖混合水凝胶，这种多孔结构的水凝胶，硬度最高可达1 050g，吸水溶胀率可高达700%，表明琼脂糖/丝素蛋白混合水凝胶具有良好的结构和力学性能，可以用于载药、皮肤敷料、骨组织再生等领域的进一步研究。

丝素蛋白；琼脂糖；混合水凝胶；力学性能

水凝胶是一种以水为分散介质的凝胶，具有三维网状结构，是在亲水作用或疏水作用下通过交联形成，因此具有优异的力学性质[1-3]。水凝胶具有独特的内部结构和优异的性能，与生物体内的环境十分相似[4]，因此，水凝胶广泛应用于创伤愈合、药物缓释、骨组织再生、十字韧带的修复等领域[5-7]。丝素蛋白是蚕丝的重要组成部分，具有良好的生物相容性及生物降解性能，适用于生物医用材料领域[8-9]。丝素蛋白水凝胶由于其优异的力学性质，良好的生物相容性以及无细胞毒性等优势引起了广泛的关注，但由于其凝胶条件困难，加大了制备的难度，很大程度上限制了丝素蛋白水凝胶的应用[10]。为了解决丝素凝胶成胶条件困难的问题，本文引入琼脂糖来制备丝素蛋白水凝胶。琼脂糖是线性的多聚物，一般在90℃时溶于水，温度下降到37℃时形成稳定的水凝胶结构。琼脂糖水凝胶作为天然水凝胶具有细胞无毒性，材料成本低，成胶方法简便等优点[11-13]。本文利用丝素蛋白溶液和不同浓度的琼脂糖溶液混合制备成稳定的水凝胶，并研究了制备的混合水凝胶的结构及性能，为丝素蛋白水凝胶的制备提供了一种新的方法。

1 材料与方法

1.1 实验材料

丝素蛋白粉(西安泽朗圣物科技有限公司)、琼脂糖(HydraGene Co.,Ltd.)、PBS缓冲粉末pH7.3(无锡傲锐东源生物科技有限公司)。

1.2 实验仪器

HH-4数显恒温水浴锅、BSA124S-CW电子天平、傅立叶变换红外光谱仪(型号ALPHA)、冷冻干燥机(16A000599，28541014，Lyyoquest55，81811.03，45-410，2016-01-14)、HPX-9162MBE电热恒温培养箱(上海博讯实业有限公司医疗设备厂)、微波炉、TAXT2i-物理构造仪, JSM-6610扫描电子显微镜(SEM)。

1.3 试验方法

1.3.1 混合水凝胶的制备

称取琼脂糖0.5g于100mL锥形瓶中，加入50mL PBS溶液，微波加热溶解，得到1.00%琼脂糖溶液，用同样的方法制得0.50%，0.25%，0.10%的琼脂糖溶液；将不同浓度的琼脂糖溶液与2.5g的丝素蛋白粉末混合，倒入平板冷却，制备成5.00%丝素蛋白水凝胶。

1.3.2 冷冻干燥凝胶的制备

将制备好的凝胶冷冻干燥，制得冻干凝胶。

1.3.3 表观形貌测试

将样品用导电纸粘在样品台上，进行喷金处理，采用电子扫描显微镜(SEM)对样品的表观形貌进行观察，电压为150KV。

1.3.4 力学性质测试

通过质构仪检测凝胶的力学性质，测试参数为：测试速度2.0mm/s，测后速度0.8mm/s，刺距离20%，数据采集速率200pps，探头P0.5。

1.3.5 溶胀率测试

称取冻干后凝胶的质量，于室温下放入PBS溶液中，使凝胶完全浸没，分别在2.5min，5min，10min时称凝胶质量，之后每隔10min测一次凝胶的质量，直到凝胶的质量不再变，实验在同一条件下测试三次。同理，在37℃、45℃下分别测试凝胶的溶胀率。溶胀率通过下列公式计算：

溶胀率(%)=(Ws-Wd)/Wd*100

式中，Ws溶胀凝胶的质量；Wd为冻干凝胶的质量。

2 结果与分析

2.1 水凝胶的结构

通过电子扫描显微镜观察制备的不同琼脂糖浓度的丝素蛋白/琼脂糖水凝胶的结构，如图1所示，选取了具有代表性的琼脂糖浓度为0.25%和0.50%的凝胶电镜图，表明凝胶成三维多孔状，随着琼脂糖浓度的升高，混合凝胶的孔径变小，孔洞变多。从图中可以看出当琼脂糖浓度为0.25%时孔径约为80um，而当琼脂糖浓度升高到0.50%时，凝胶的孔径则缩小到约50um，并且在相同体积内拥有更多的孔洞，有利于形成更为稳定的凝胶。

(A)琼脂糖0.25%；(B)琼脂糖0.50%

2.2 力学性质分析

质构数据如图2所示，0.10%和0.25%浓度样品的力学性质较差，无法达到质构测定的要求，而含0.50%琼脂糖的丝素蛋白水凝胶的强度约为286g，1.00%琼脂糖的丝素蛋白水凝胶则达到了约1 050g，琼脂糖增加了0.50%，硬度则增加了3倍多，这表明琼脂糖的含量的多少，很大程度的影响着混合水凝胶的机械性能。同时，1.00%琼脂糖浓度的混合水凝胶胶凝性达到了约700g，而0.50%琼脂糖浓度的混合水凝胶胶凝性约为200g，胶凝性也提高了3倍多，这表明随着琼脂糖浓度的增加形成了更为紧密的网状结构。

(A)强度；(B)胶凝性

2.3 溶胀行为

水凝胶是一种水为介质的三维网状结构，通常具有很强的吸水性，因此测试它的溶胀行为是一个十分重要的表征。不同温度下样品在PBS的溶胀行为如图3所示，由于0.10%和0.25%浓度样品力学性能较差，难以在PBS中重新吸水形成完整的凝胶，所以无法进行测试，图中为0.50%和1.00%琼脂糖浓度水凝胶的溶胀曲线。从图中可以看出0.50%和1.00%琼脂糖浓度的水凝胶在55min左右都能达到溶胀平衡，前10min吸水速率很快，溶胀率约为300%，溶胀率最高可达700%。随着琼脂糖浓度的提高，溶胀率也会随之升高，这是因为琼脂糖的加入，使水凝胶的结构更加紧密，形成了更多的孔洞及更小的孔径，这也是力学性能增加的原因。同样随着温度的提高，凝胶的溶胀率也有相应升高。

(A)1.00%浓度样品；(B)0.50%浓度样品

3 结论与讨论

本研究利用丝素蛋白与不同浓度的琼脂糖混合制备为混合水凝胶，通过SEM观察发现制备的混合水凝胶具有三维多孔结构，随着混合水凝胶中琼脂糖浓度的增加，形成的孔径减小，而力学性能和吸水能力有所增加。本研究表明，琼脂糖与丝素蛋白混合可以制备出性能较好的丝素蛋白/琼脂糖水凝胶，可以用于载药、皮肤敷料、骨组织再生等领域的进一步研究。

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Research on the Preparation and Property of Silk Fibroin / Agarose Gel

CHEN Si-hao1SHU Hao1LIU Zu-lan1LI Zhi1DAI Fang-yin1,2

(1.ChongqingEngineeringResearchCenterofBiomaterialFiberandModernTextile,CollegeofTextileandGarment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China;2.KeyLaboratoryofSericulturalBiologyandGeneticBreeding,MinistryofAgriculture,CollegeofBiotechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China)

In this research, the silk fibroin/agarose gel was produced based on the method that mixed the Silk fibroin with the agarose with varied concentration. This kind of hydrogel with the vesicular structure has the hardness up to 1 050g, the swelling rate as high as 700%, which suggest that the hydrogel of silk fibroin/agarose has an excellent structure and mechanical property. These results showed that the produced hydrogel owns the potential for further research on drug loading, skin dressing and bone regeneration, etc.

Fibroin; Agarose； Mixed hydrogel; Mechanical property

*资助项目：863计划项目(2013AA102507)；现代农业产业技术体系项目(CARS-22)。

陈思皓(1993-)，男，硕士研究生。研究方向：纤维材料与工程。

代方银，教授，博士生导师。E-mail：fydai@swu.edu.cn