再生蚕丝蛋白纤维的湿法制备及医学应用现状

黎麟玉 严小飞 田 伟

（浙江理工大学，浙江杭州，310018）

再生蚕丝蛋白纤维主要是以废真丝、绢纺下脚料等废弃蛋白纤维为原材料，采用生物化学工程技术从中提炼出蛋白粉，再通过纺丝生成［1］。再生蚕丝蛋白纤维较天然蚕丝成本更低且某些性能更好，具有良好的发展前景。

1 湿法纺丝再生蚕丝蛋白的制备

1.1 工艺流程

废真丝、绢纺下脚料→洗涤→烘干→称重→氧化→水洗→脱水→水解→过滤→混合→过滤→计量泵计量→纺丝→凝固→牵伸→水洗→烘干→打包［2］。湿法纺丝过程［3］如图1 所示。

图1 湿法纺丝工艺流程图

1.2 影响条件

1.2.1 脱胶

丝胶溶于水，丝素不溶于水。在一定条件下，丝胶溶解脱落，而丝素保留。脱胶处理不当会部分破坏丝素纤维，造成再生丝素纤维内部结构不匀，表面粗糙，影响后续加工，性能降低［4］。

1.2.2 溶解

丝素能在强酸强碱、高浓度盐中溶解［5］。但强酸强碱会破坏分子链的规整性，削弱分子间氢键作用，降低丝素蛋白分子量，破坏内部结晶区结构等。

1.2.3 工艺参数

通过控制纺丝浓度、拉伸应力、拉伸倍数、拉伸速度、拉伸方式等能改变再生蚕丝二级结构中β-折叠的含量、分子链的规整性和取向度等，实现力学性能的提高。浓度对丝素蛋白的结构和性质影响较大，水分在丝蛋白构象转变中的作用可能类似于高聚物加工中的增塑剂，通过削弱大分子链之间的相互作用，降低再生蚕丝的力学性能［6］；增大拉伸应力能促使β-折叠的形成和提高分子链的规整性、取向度，拉伸应力越大，β-折叠结构的含量越高；拉伸倍数在一定范围内增大，能提高大分子的取向度，增加分子之间的氢键或其他分子间作用力［7］；拉伸速度影响溶液中的水分是否充分挥发等；拉伸方式影响分子链的取向程度［8］等。

1.2.4 改性

化学改性是指在化学反应中引入一些功能性基团、单体或大分子链，对蚕丝纤维的氨基酸进行修饰或交联改性；物理改性是指通过涂层、热处理等方法改变再生蚕丝蛋白纤维的表面光滑程度或晶体结构。改性是赋予再生蚕丝蛋白纤维特殊性能的常见方法［9］。

1.3 制备工艺研究

湿法纺丝对纺丝液的要求较高，制备高浓度的纺丝液能从源头上提升再生蚕丝性能，湿法制备再生丝素蛋白纤维的报道可追溯到20 世纪30年代［10］。 ISHIZAKA H 等［11］选择磷 酸 为溶解剂和硫酸铵、硫酸钠为凝固剂纺丝时，发现丝素蛋白在磷酸中会严重降解，影响其性能。KI C S 等［12］分别将丝素溶解在不同体积比的磷酸、甲酸的混合溶液中，然后以甲醇为凝固剂纺丝，发现甲酸能延缓磷酸引起的丝素降解，随着磷酸的增加，丝素溶解度增大，但当磷酸体积分数超过40% 时，丝素无法在甲醇中凝固，并确定磷酸/甲酸最佳体积混合比为20/80 和30/70。LOCK R L［13-14］以甲酸（90%）和氯化锂（10%）混合溶液溶解蚕丝获得了质量分数为15.3% 的丝蛋白溶液，并以甲醇为凝固剂纺丝，改用硫氰酸锂（LiSCN）溶解，丝蛋白溶液的质量分数提高到20%，又改用六氟异丙醇（HFIP）溶解得到质量分数为14.9% 的纺丝原液，发现HFIP 溶解得到的丝蛋白几乎不会发生降解。 MATSUMOTOK 等［15］用LiBr.H2O -EtOH.H2O 混合溶液溶解蚕丝，得到质量分数为16%～20% 的丝蛋白溶液。 再分别以甲醇、乙醇、异丁醇为凝固剂纺丝，通过对比再生蚕丝的性能发现，10%LiBr.H2O 的甲醇凝固浴最佳。ZHAO CH 等［16］先在40 ℃下将脱胶蚕丝溶解在9 mol/L LiBr 溶液中制备再生蚕丝膜，再以六氟异丙醇为溶解剂，甲醇为凝固剂纺丝，得到的再生蚕丝具有优良的力学性能。左保齐等［17］将丝素分别溶解在溴化锂、六氟异丙醇中，然后以乙醇为凝固剂纺丝，得到的再生丝素纤维力学性能比天然蚕丝差。PHILLIPS D M 等［18］用1-乙基-3-甲基咪唑氯盐（EMIC）溶解蚕丝制备再生蚕丝，发现其聚集态结构与天然蚕丝相似。YAN J P 等［19］用LiBr 溶解蚕丝，经提纯得到质量分数为13%～19% 的纺丝液，再以（NH4）2SO4为凝固剂纺丝，得到的再生蚕丝力学性能接近蜘蛛丝，其力学性能有了质的提升。王华锋［20］用含10 g 碳酸钠质量分数为2% 皂化溶液溶解蚕丝制备蛋白粉，将一部分丝素溶于含有10 mol/L LiBr 的溶液中，经浓缩过滤后得到体积分数约为10% 的丝素水溶液。李秀艳等［21］用1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物和烯丙基-3-甲基咪唑氯化物分别溶解蚕丝，发现丝素均能在两种离子体溶液中快速溶解，溶解度能达到15%，且溶解速率随温度升高而增大。并推测离子体溶液会破坏丝素的内部分子结构，属于直接溶解。 吴惠英等［22］分别以CaCl2-FA、CaCl2-C2H5OH-H2O 为溶解剂、水为凝固剂，制备再生蚕丝蛋白纤维，发现CaCl2-FA 体系下蚕丝具有良好的流动性，能在室温下纺丝，且该体系下蚕丝的原纤结构能被保留，为再生丝力学性能的提高提供前提。WÖLTJE M 等［23］用反复短期微波加热处理代替传统沸腾溶液加热对蚕丝进行脱胶处理，然后用45 ℃ZnCl2溶解脱胶丝素，得到了具有良好细胞相容性且未经降解的再生丝素蛋白纤维，工艺时间从52 h 缩短到4 h，使丝素的工业规模化生产更进一步。

2 再生蚕丝蛋白力学性能研究

肖露等［24］系统研究了不同溶解体系对再生丝素蛋白性能的影响，对比不同溶解体系下丝素的分子量和稳定性，发现丝素的分子量与稳定性呈负相关，且CaCl2-H2O-C2H5OH 溶解的桑蚕丝性能最佳，但分子量仍有所降低，需寻找更佳的溶解体系。张鸿昊等［25-26］系统研究了蚕丝多级结构对其力学性能的影响，发现晶体网格结构中的拓扑结构、相关长度、取向度和连接度是影响力学性能的主要因素。随后还研究了不同质量的聚苯乙烯微球对再生蚕丝蛋白纤维力学性能的影响，发现其作用与醇类凝固浴的作用相似，通过诱导丝素蛋白分子中二级结构的转变，提高结晶度和晶体网络密度，减小晶体尺寸，提高力学性能，最佳条件下断裂强度和断裂伸长率都超过了天然丝素蛋白纤维。除此之外，试验数据分析发现Grubb提出的Fcrystal 定量相比丝素蛋白纤维中晶体取向的方法存在片面性，Gustavo 等提出的计算方法虽比Grubb 合理，但仍存在晶体散射峰强度与中间相散射峰强度重叠的问题。郭增革等［27］将预处理的柞蚕丝在微波作用下完全溶解在体积比为1∶1.25 的1-甲基咪唑和烯丙基氯中，再将混合液与微米级纤维素浆粕共混纺丝。发现柞蚕丝在微波作用下能良好溶解，可通过控制微波作用时间来调控溶解速率，同时具有良好的力学性能。再生丝的初始模量和断裂强度较天然柞蚕丝分别提高了21.45% 和8.46%。

李款［28］将丝素溶液与不同质量的纳米铜混合制备再生蚕丝，发现当纳米氧化铜和硫酸铜与脱胶蚕丝的质量共混比为4、纺丝液质量分数为15%、拉伸倍率为300%、乙醇溶液质量分数为75% 时，再生蚕丝的力学性能提升最明显，断裂强度和断裂伸长率可分别达到286.42 MPa、34.70%。 且各混合比下纤维表面均无明显变化。王晓亮［29］采用类似的方法研究了不同粒径纳米铜对再生蚕丝力学性能的影响，并考虑了拉伸速度对其性能影响，发现粒径越小，其力学性能提高越明显，断裂强度和断裂伸长率可分别达到307.49 MPa、38.34%。 效果比文献［28］更加明显，这可能是在拉伸速度与拉伸倍率的共同作用下，200% 的拉伸倍率使β-折叠构象更加完善。徐晨［30］进一步比较了金、银、二氧化钛3 种纳米材料对再生丝素蛋白纤维力学性能的影响，发现3种粒子对再生丝素纤维的外貌都没有明显的影响，但银的提升效果最佳且其二级结构和晶体结构没有发生明显改变，金次之。刘岩［31］也研究了纳米二氧化钛对再生丝素蛋白纤维力学性能的影响，创新之处在于考虑了丝素蛋白浓度、喷丝头规格和注射速度等条件，制备的再生丝素蛋白纤维断裂强度和断裂伸长率可分别提高113.11%、152.85%。 刘强［32］研究了不同粒径二氧化硅对再生蚕丝力学性能的影响，发现二氧化硅的加入可为丝素蛋白的结晶提供异质模板，断裂强度比纯再生丝素提高88.5%，比天然脱胶蚕丝纤维断裂强度提高33.5%。并发现纳米粒子的种类对其力学性能影响很大，且相同条件下金属纳米粒子较非金属纳米粒子能更显著地提升再生丝的力学性能。用再生丝素蛋白与碳纳米管（CNT）复合材料共混制备的复合纤维的断裂强度可提升204.6%，首次实现了复合膜同时具备导电性、热敏电阻特性和良好的力学性能。

3 在医学领域的应用

丝素蛋白目前最常见的医疗用形式有微球、多孔支架、水凝胶和薄膜。用于药物装载和释放的微球应用于创伤修复、慢性病治疗等方面，加入生长因子或种子细胞的多孔支架应用于缺损组织的修复，具有与细胞外基质相似内部结构的水凝胶和薄膜应用于皮肤组织修复。虽然目前丝素蛋白已经应用于医学领域，但还有许多不可忽视的问题，如载药微球的负载能力以及如何调控药物缓释时间，生长因子或种子细胞对其活性的影响，以及生物安全性等限制了其广泛应用［33］。

王捷［34］研究再生丝诱导并调控二氧化硅纳米粒子进行自主装形成复合纳米粒子，及其对抗癌药物的负载和释放。发现以该复合粒子为药物载体能够有效抑制癌细胞生长，且该载体克服了传统模板高成本和高毒性的缺点，但这种新型模板运输的准确性、抑制肿瘤生长机理及生物安全性还有待进一步研究。黄子轩［35］利用酰胺键将锰离子（Mn2+）、可富集于肿瘤细胞周围的五肽蛋白（CREKA）、免疫检查点抑制剂（CTLA-4）与丝胶蛋白（SS）连接并合成Mn-CREKA-CTLA-4-SS（MCCS），将MCCS 与小鼠细胞一起培养试验，研究观察发现MCCS 能通过调节肿瘤细胞的自噬和凋亡，刺激免疫细胞分化，同时不会引起正常细胞凋亡、坏死以及组织器官损伤等，在新型肿瘤治疗一体化材料领域具有良好前景。

LAOMEEPHOL C 等［36］将金 盐诱导和介导再生丝素产生的水凝胶与小鼠细胞一起培养，发现金离子能缩短水凝胶的制备时间，从几周或几天加速到几小时或几分钟，并能提高细胞活性，在生物医学方面有良好的应用前景。 TOPRAKCIOGLU Z 等［37］克服了不对称管状微凝胶的制备问题，探索的液滴-微流体装置能制备生物相容性较好的不对称微凝胶，实现内部核心的微凝胶成液态，外部的微凝胶成壳。进一步研究发现可以改变分散相到连续相的流速来控制微凝胶的形态，是存储和释放活性货物分子的理想材料。吴惠英［38］发现丝素蛋白在常温CaCl2-FA 溶解下制备的长丝纱比天然丝素复合得到的人工韧带降解速度更快，同时具有较好的力学性能。ZHANG Xuan 等［39］将小鼠胚胎纤维细胞与不同溶解体系下制备的丝素蛋白膜一起培养，发现LiBr 溶解体系下的丝素蛋白膜具有优良的生物相容性，为后续再生丝素蛋白纤维生物相容性的提高提供了基础。BON S B 等［40］将钙离子或硝酸钾改性的再生丝（RS）和聚3-羟基丁酸-羟基戊酸酯（PHBV）通过3D 打印制备三维网格结构（内层为PHBV，外层为改性RS 的圆柱体）。将3D 打印的圆柱体用作无缝合的热响应夹，插在猪小肠上，测量其破裂压力。在破裂前可承受的压力比机械缝合约提高140%，并发现这样的三维网格具有自供电特性压电力传感器的特点。同时，β-折叠含量增加的三维网格在人体内是稳定的，通过改变网格结构的填充密度和图案能改变力传感器的压电特性，为新型生命体征监测在临床医学应用做了铺垫。郝云霞［41］将丝素蛋白与聚乙二醇双环氧丙烷醚（PEG-DE）混合制备丝素蛋白膜和丝素蛋白管状支架，将两种材料分别与人脐静脉内皮细胞（EC）和人主动脉平滑细胞（SMC）一起培养，发现再生丝素蛋白膜对SMC、EC 细胞的各种功能因子表现出不同的抑制或促进作用；管状支架比蛋白膜更适于血管细胞的生长，对EC、SMC 的各功能因子的表达具有促进作用，但由于体外试验的局限性，无法确定体内作用效果。

4 总结与展望

本研究立足于湿法纺丝，论述了从脱胶剂、凝固剂的选择到拉伸倍数等参数对再生蚕丝力学性能的影响机理，及其在医学领域的研究现状。力学性能的提高主要依靠提高再生丝素分子的取向度和结晶度。相对于纯丝素纤维，目前最佳条件下，再生蚕丝的断裂强度和断裂伸长率可分别提高113.11%、152.85%。蛋白质分子质量的大小一定程度上影响了其性能，可通过重复的短微波脱胶处理实现4 h 快速制备分子量无降解的再生蚕丝。在医学领域，研究发现一种能抑制癌细胞增长的生物模板新型材料，可制备能满足活性物质的运输和缓慢释放的不对称微胶囊和能促进血管细胞生长繁殖的再生丝素复合膜等。尽管大量研究表明再生丝素在医学领域有很大使用价值，但投入临床使用还需要深入研究，而在力学性能方面的研究已经较为成熟，特别是在添加金属粒子改性方面。

再生蚕丝蛋白纤维性能的研究，一方面是增强本身的性能，另一方面则是赋予其他性能以扩宽应用领域，满足人们的使用要求。首要问题是选择合适的溶剂实现丝素丝胶的高效分离，获得高浓度丝素，其次是改性，提升再生蚕丝性能。目前，再生蚕丝力学性能提升的方法较单一、流程复杂、作用机理不明确、产量小等都限制了其广泛应用。而限制其在医学领域广泛应用的主要因素有：再生丝素在生物体内的降解行为和降解机理及其降解产物的安全性不明确，如何精准控制微纳结构的尺寸；如何调控再生蚕丝的降解速度用于修复不同组织；如何调控使得三维打印成型与细胞相容性平衡；如何调控使相应血管细胞在正确位置上生长繁殖等。

相信随着多学科的发展，以及学科的交叉融合，能推进再生蚕丝蛋白纤维在临床上的应用以及转化上市，开发出更多功能性和满足个性化医疗的新型生物医用材料，以扩宽蚕丝的应用领域，提升其经济效益。