蚕丝丝胶蛋白水凝胶构建策略及应用

摘要： 水凝胶是由交联网络或互穿网络形成的一种三维材料，具有独特的溶胀性、生物相容性和高度交联的空间结构，已被广泛应用于伤口修复、美容护肤、药物递送及生物传感器等领域。丝胶蛋白是从蚕丝脱胶过程中提取的黏附糖蛋白，具有优异的生物相容性、亲水性、抗菌性、抗紫外活性等。文章综述了采用物理交联（超声诱导、真空冷冻干燥、自组装、反复冻融等）、化学交联（单一交联剂、复合交联剂）、紫外光催化和转基因功能化方式构建丝胶蛋白水凝胶的策略，并阐明了不同技术制备的丝胶蛋白水凝胶的结构特征和性能特点，及其在组织工程、抗菌敷料、中风治疗等方面的应用。

关键词： 丝胶蛋白;水凝胶;交联;光催化;创面敷料;组织工程

中图分类号： TS102.33; TQ427.26 文献标志码： A

蚕丝是由丝素和丝胶蛋白（Sericin，SS）组成的天然蛋白质纤维。丝胶覆盖在丝素纤维的表面，起到保护和黏合的作用。丝素蛋白在纺织工业和生物医用材料中有着广泛的应用，但丝胶的利用率不高，往往被当作废物丢弃。由于丝胶降解需氧量高，缫丝厂每年产生的丝胶废水造成了很大的环境污染［1］。丝胶蛋白是水溶性球状蛋白，因富含极性氨基酸且空间结构疏松而具有良好的亲水性、生物降解性和反应活性，能通过多种制备技术加工成凝胶、薄膜、多孔支架、颗粒和纤维等形式的复合材料［2］。丝胶蛋白还具有抗氧化、抗凝血、降糖及促进细胞增殖和分化等多种生物活性。因此，从废水中回收丝胶并将其作为生物资源进行开发利用，将产生可观的社会效益和经济效益［3］。

水凝胶是由物理相互作用和/或化学交联的三维聚合物网络组成的，其交联可通过一种或多种相互作用发生，如共价键、离子键、氢键、范德华力或疏水作用等［4］。由于聚合物大分子链的亲水性和独特的多孔结构，水凝胶具有超高的保水性和溶胀率。水凝胶材料的理化性质可随着温度、pH值、光照等因素变化而调节，已被广泛应用至组织工程、生物医药、可穿戴设备、软电子、制动设备、污水处理等领域［5］。

丝胶蛋白性能优异，可通过自组装或与交联剂交联形成水凝胶。但因丝胶蛋白的二级结构主要呈无规卷曲和α-螺旋构象，内部结晶区较少，纯丝胶蛋白水凝胶的机械性能较差，应用受限。将丝胶蛋白与其他聚合物共聚或混合形成复合水凝胶，能显著改善丝胶蛋白的机械性能［6］，并可附加其他功能，应用领域更广。本文综述了采用物理交联、化学交联、光催化、转基因功能化方式构建的丝胶蛋白水凝胶，在伤口敷料、软骨再生、神经修复、药物传递等方面的应用。

1 物理交联构建丝胶蛋白水凝胶

物理交联是通过离子键或分子间相互作用（如偶极-偶极、偶极诱导、氢键和疏水作用）形成交联网络。物理交联具有可逆性，交联过程对温度、pH值或离子强度有响应性。物理交联水凝胶无需使用有毒化学交联剂，可为医疗应用提供更安全的解决方案，但因在生理介质中寿命较短，通常适合于药物释放等短期应用［7］。采用物理交联制备丝胶蛋白水凝胶是通过引发丝胶蛋白分子之间聚合生成分子间作用力形成的，主要方法包括超声波诱导、自组装、反复冻融、真空冷冻干燥等。

1.1 超声波诱导交联丝胶蛋白水凝胶

超声诱导交联是一种简便的、无需添加剂的交联方式，具有加速反应进程、降低反应损耗能量等特性。该方法在时间可控的情况下加速溶胶-凝胶的转变，通过改变蛋白质分子链的疏水水合作用诱导物理β-折叠交联，凝胶时间可以根据超声参数（输出功率和持续时间）及材料浓度控制［8］。超声波在溶液中会产生声空化现象，作用于水溶液中的丝胶蛋白分子，使分子间发生较剧烈碰撞，重排形成更稳定有序的空间结构，从而获得不溶于水的稳定凝胶网络结构。制备的丝胶水凝胶具有高光学透明度、可注射性、高弹性、pH值依赖性降解和高孔隙率等特点［9］。对这种凝胶模式的另一种解释是，超声波振动会导致凝胶网络中物理交联的发展，加速蛋白质从溶液到凝胶的转变［10-11］。超声诱导制备的丝胶蛋白水凝胶具有优异的细胞黏附性，可有效促进细胞附着、增殖和长期存活，并能持续递送生物活性分子，与宿主细胞和生物活性分子兼容［9］。

超声波诱导既可以制备纯丝胶蛋白水凝胶，也能构建丝胶复合水凝胶。如Du等［12］将肝素溶液加入丝胶溶液中，经过超声处理形成丝胶/肝素复合凝胶前体溶液，再加入碱性成纤维细胞生长因子（Basic Fibroblast Growth Factor，bFGF），室温静置后获得装载功能因子的丝胶/肝素复合水凝胶（图1），更有利于促进伤口愈合。超声波交联不仅可控制丝胶蛋白凝胶化时间，而且无需使用生物毒性交联试剂，有利于提高丝胶水凝胶的生物相容性，可直接用于活细胞包埋。

1.2 真空冷冻干燥形成丝胶蛋白凝胶

真空冷冻干燥是利用升华原理使冷冻材料脱水的一种干燥技术，是制备丝胶蛋白凝胶的重要方法。如琼脂糖分子在响应环境温度变化时容易通过物理交联形成稳定而牢固的空间网络结构，将丝胶蛋白与琼脂糖混合后经真空冷冻干燥，可以制备互穿网络的丝胶复合凝胶（图2）。丝胶/琼脂糖复合凝胶由丝胶蛋白网络、琼脂糖分子网络及氢键连接形成的丝胶-琼脂糖交叉网络组成。凝胶中丝胶蛋白和琼脂糖的主链结构并没有发生变化，氢键作用使丝胶蛋白的结构从无规卷曲向β-折叠转变，凝胶具有更好的力学性能和形态稳定性［13］。将天然抗菌剂溶菌酶装载至丝胶/琼脂糖凝胶中，带正电的溶菌酶能与带负电的丝胶蛋白发生静电吸附，溶菌酶与丝胶蛋白之间特殊的亲疏水作用也能增强溶菌酶的吸附。凝胶持续释放溶菌酶，可保持优异的抗菌活性，有望成为伤口敷料的替代品［14］。

以甘油作为增塑剂，将羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）与丝胶蛋白溶液共混均匀并冷冻干燥，可以显著改善水凝胶的机械性能。该复合凝胶呈三维多孔结构，具有高度膨胀性和孔隙度。将CMC-丝胶蛋白复合水凝胶用于糖尿病伤口处理的敷料时，凝胶的多孔结构不仅能吸收伤口渗出液，还能促进血管生成，增强真皮细胞的黏附和增殖，显著促进糖尿病伤口愈合，无需胰岛素治疗［15］。

1.3 自组装制备丝胶蛋白水凝胶

蚕茧粉碎后在高温高压下经热水处理，并滤去不溶物后的纯丝胶蛋白溶液无需引入其他物质，通过自组装也可形成丝胶蛋白水凝胶。胶凝时间随着丝胶蛋白浓度的增加而减少，高浓度的丝胶水溶液会加速丝胶分子链的相互作用，促使丝胶蛋白展开并快速结合，最终形成有组织的凝胶网络［16］。溶液中丝胶蛋白多数呈现无规卷曲二级结构，能量高、稳定性差，在较低温度条件下，不稳定的无规卷曲可转变为稳定的β-折叠结构，因此低温可以加速凝胶形成。此外，侧链羧基的质子化在决定凝胶化速率方面起主导作用，当溶液pH值低于丝胶等电点时，羧基被中和，丝胶的亲水性降低，电荷斥力降低，促进丝胶蛋白的疏水相互作用，从而产生更多的物理交联和更快的凝胶化过程。自组装制备水凝胶，与化学交联技术相比，具有反应条件温和、胶凝过程可控的优点，并且只需将丝胶蛋白溶液保持在生物洁净的环境下，即可获得无菌丝胶蛋白水凝胶，无需再灭菌消毒。该类水凝胶具有高孔隙率、高降解性和优异的细胞黏附能力，适合作为细胞或生物活性分子的载体，可促进细胞的生长和活性药物的持续释放［17］。

然而，采用自组装方式制备的丝胶水凝胶，在自然条件下多孔的特性是不可控制的。为此，Tao等［18］配合冷冻干燥技术制备了孔径可调节的多孔凝胶材料，并通过在凝胶表面进一步构建交替排列的聚二甲基二烯丙基氯化铵-聚丙烯酸聚电解质膜，促进银纳米颗粒在丝胶凝胶表面原位高密度生长，实现长效抗菌活性。

1.4 反复冻融构建丝胶蛋白水凝胶

采用冻融工艺制备多孔水凝胶既安全有效又简单经济。将丝胶蛋白与聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）共混后在-80 ℃下反复冷冻解冻，能形成稳定的丝胶/PVA水凝胶。PVA具有优异的强度和柔韧性，能显著增强水凝胶的机械性能［19］。丝胶/PVA水凝胶不仅具有优异的力学性能、高孔隙膨胀比、良好的亲水性和热稳定性，同时具备装载和释放小分子药物及纳米颗粒的能力，可作为一种药物传递载体。在装载庆大霉素后，凝胶可通过药物的缓慢释放抑制细菌生长，预防伤口感染并促进伤口愈合［20］。在治疗糖尿病伤口时，丝胶/PVA水凝胶通过与其他功能性物质（如榕树提取物、洋葱提取物等）的结合，可显著升高血清抗炎细胞因子和组织抑制剂金属蛋白酶水平，同时降低促炎因子和基质金属蛋白酶水平，表现出良好的组织再生性能，可作为糖尿病创面药物治疗的有效载体［19］。

1.5 乙醇诱导丝胶蛋白凝胶化

纯乙醇本身并不诱导丝胶蛋白的结晶或凝胶化，但水溶液中的乙醇会影响丝胶蛋白大分子间的氢键作用，进而影响丝胶的凝胶化过程及凝胶的性质。乙醇对丝胶蛋白的凝胶化既有积极的作用，也有消极的影响，主要取决于乙醇的质量分数。当丝胶蛋白溶液中乙醇质量分数达到15%时，丝胶蛋白凝胶化速度显著加快，凝胶的机械强度也增加，但继续增加乙醇质量分数，丝胶蛋白的凝胶强度明显降低;当乙醇质量分数增加到35%（即含水量小于65%），丝胶蛋白不会发生凝胶化。适量的乙醇（15%）会与水溶液中的丝胶蛋白争夺水分，促进丝胶蛋白大分子结构的规整化，因此有利于凝胶化过程。

但乙醇质量分数过高（超过35%）意味着含水量下降，丝胶蛋白分子间氢键作用减弱，难以形成凝胶［21］。采用乙醇促进丝胶蛋白凝胶的方式简单易行，且不经任何化学修饰，形成的凝胶具有片状网络结构，通过拉伸能进一步增强弹性，适合用作关节等运动部位的伤口敷料［22］。

2 化学交联制备丝胶蛋白水凝胶

采用物理交联制备的丝胶蛋白水凝胶无需添加化学交联剂，但凝胶的弹性模量低、稳定性较差。利用化学交联剂形成稳定的共价键，不仅能使溶液中丝胶蛋白分子间形成稳定的网络结构，提高凝胶的机械性质，也能将丝胶蛋白与其他组分材料共混制成多功能复合水凝胶，应用范围更广。常用于丝胶蛋白凝胶化的交联剂有京尼平、戊二醛、过氧化物酶等。

2.1 京尼平交联丝胶蛋白水凝胶

京尼平是从栀子干果中提取的主要生物活性化合物之一，是一种天然、有效、无毒的交联剂［23］。京尼平分子具有独特的隐形双醛结构，可以与含有伯胺基残基的氨基酸（如赖氨酸、羟赖氨酸或精氨酸等）或蛋白质交联。京尼平交联丝胶蛋白形成水凝胶的反应原理如图3［25］所示，丝胶蛋白中含有丰富的丝氨酸、苏氨酸、天冬氨酸和甘氨酸，这些氨基酸中的伯胺亲核攻击京尼平的双氢吡喃环，引起开环反应，形成醛基和仲酰胺，实现丝胶蛋白的交联和凝胶化。在丝胶与京尼平的交联显色反应过程中，颜色由透明的黄色变为绿色，再变为天蓝色，最后变为深蓝色，颜色的深浅取决于反应时间和京尼平浓度［24］。因京尼平交联的丝胶蛋白凝胶呈现较深的蓝色，透光性低，不适宜用作可视化生物材料。

丝胶蛋白具有神经营养和神经保护功能，可以促进神经轴突的扩展和分支，防止神经元因缺氧和低糖引起的死亡［25］。将丝胶蛋白溶液与京尼平共混，制备具有多孔结构和温和膨胀比的纯丝胶蛋白水凝胶，不仅在体外支持神经元的有效黏附和生长，将凝胶移植到体内时，也表现出高细胞存活率并促进细胞持续增殖，证明丝胶水凝胶可作为潜在的神经细胞输送工具用于缺血性脑卒修复［25］。此外，Song等［26］首次报道了丝胶蛋白/京尼平混合交联凝胶用于体内缺血性心肌修复的有效治疗，通过体内原位构建丝胶蛋白水凝胶注入心肌梗死区，可减少瘢痕形成和梗死面积，增加壁厚和新生血管，抑制心肌梗死诱导的炎症反应和细胞凋亡，显著改善心肌功能。

除纯丝胶蛋白凝胶外，京尼平也能用于丝胶蛋白复合凝胶交联。Sapru等［27］采用京尼平交联丝胶蛋白/壳聚糖共混水凝胶，用于人角质形成细胞和真皮成纤维细胞的共培养，以形成角质细胞（真皮上层）和成纤维细胞（真皮下层）双层结构，模拟自然皮肤组织，创建人工表皮和真皮层。研究表明，丝胶/壳聚糖复合水凝胶体外能增强皮肤细胞的黏附、增殖和迁移，促使胶原Ⅳ和基质金属蛋白酶的合成;植入体内能促使胶原蛋白密集堆积和成熟血管形成，且无炎症，有效支持皮肤组织的再生和修复［28］。Wang等［29］制备了一种可注射、形状记忆的碳纳米管掺杂丝胶蛋白凝胶支架用于中风治疗，可将骨髓间充质干细胞输送到脑组织中，并功能性地促进其神经元分化。Sapru等［30］用京尼平交联制备丝胶蛋白/壳聚糖/糖胺聚糖复合凝胶模拟皮肤自然结构，在水凝胶中引入血管内

皮生长因子和转化生长因子-β，为促进皮肤组织修复提供适当的物理环境和生物线索。为进一步增强丝胶蛋白水凝胶的抗菌性能，Moise等［31］以京尼平为交联剂构建孔隙相互联通的丝胶/聚乙烯醇/阿奇霉素复合水凝胶，阿奇霉素的引入提高了水凝胶对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌和白色念珠菌的抗菌性能，该抗菌复合水凝胶在预防感染和促进烧伤创面愈合方面具有很大的潜力。

2.2 过氧化物酶催化交联丝胶蛋白水凝胶

过氧化物酶是一种相对无害的交联剂，酶催化反应处理条件温和，如低温、接近中性环境、无需添加其他有毒化学物质等。辣根过氧化物酶（Horse Radish Peroxidase，HRP）是一种氧化还原酶，在过氧化氢（H2O2）的存在下，可以催化氧化酚类或乙烯基单体自由基聚合。丝胶蛋白中含有酪氨酸残基，酪氨酸作为一种含酚羟基的芳香族极性氨基酸，在HRP-H2O2体系的催化作用下，酪氨酸残基上的酚羟基会被氧化产生酚氧自由基，并与附加的乙烯基单体接枝共聚，实现丝胶蛋白分子的交联，反应机理如图4［32-33］所示。

采用HRP-H2O2催化体系制备的高光学透明丝胶蛋白/聚丙烯酰胺互穿网络水凝胶，具有较高的孔隙率。通过改变丝胶含量可以灵活调节凝胶的膨胀行为、降解动力学和机械强度。该水凝胶体系还具有优异的细胞黏附能力，能有效促进细胞增殖和长期存活，可作为可视化敷料实时监测伤口［34］。在HRP和H2O2的催化下也可将聚乙二醇二甲基丙烯酸酯接枝聚合到丝胶蛋白分子链上，构建聚乙二醇二甲基丙烯酸酯改性丝胶复合凝胶。改性后丝胶蛋白凝胶具有较好的成形性、优异的力学性能、高孔隙率和膨胀率，还具有良好的细胞相容性和持续稳定的药物释放行为［35］。

2.3 戊二醛交联丝胶蛋白水凝胶

戊二醛两端的羰基较活泼，可与丝胶中的赖氨酸、组氨酸、精氨酸残基中的氨基或亚氨基发生反应，形成稳定的亚胺结构，从而交联丝胶大分子［36］。采用戊二醛共价交联丝胶蛋白能快速凝胶，并可通过改变丝胶浓度和戊二醛用量来调控交联度，进而微调与交联度相关的机械强度、弹性和孔隙率等

性能。戊二醛交联的丝胶水凝胶具有良好的弹性、高孔隙率和发光特性，可用作生物成像和体内跟踪或作为细胞和治疗药物的递送载体，但戊二醛本身具有一定细胞毒性，在用作组织工程材料时残留的戊二醛不利于细胞的生长［37］。除此之外，以戊二醛为交联剂，通过浸渍法将聚N-异丙基丙烯酰胺/丝胶互穿网络水凝胶用于棉织物的改性整理，能有效改善棉织物的热稳定性和力学性能［38］。

2.4 水合硅酸锂镁交联丝胶蛋白水凝胶

水合硅酸锂镁可交联丝胶蛋白和N-异丙基丙烯酰胺，形成半互穿网络结构的纳米复合水凝胶。由于丝胶亲水性强，能增加凝胶内部孔隙大小，复合凝胶的截面形态表现出从蜂窝到层状结构的转变。该凝胶应用于创面时，包埋在纳米复合水凝胶中的大分子丝胶可通过电荷作用吸附细菌，从水凝胶中解离出来的小分子丝胶可穿透细菌细胞膜并吸附细胞内的阴离子物质，实现有效抗菌，可作为理想的创面敷料材料［39］。

2.5 复合交联剂构建丝胶蛋白复合凝胶

除以上单交联剂外，还可利用复合交联剂制备水凝胶以获得应用适配度更高的丝胶凝胶材料，如Robles等［40］用三（2，20-联吡啶）二氯六水钌和过硫酸钠作为光引发剂交联聚乙烯醇-丝胶蛋白/明胶水凝胶，这种高模量的水凝胶可作为体内神经组织再生的细胞培养平台，支持神经元网络的发育。Han等［41］采用碳酸钙、葡萄糖酸δ-内酯双交联海藻酸钠/丝胶蛋白多孔水凝胶，葡萄糖酸δ-内酯促进碳酸钙中的Ca2+持续释放，使海藻酸钠完全交联形成第一个网络;丝胶蛋白因吸水而膨胀，其构象由无规卷曲转变为β-折叠结构，侧链亲水基团与水分子形成氢键，形成网状结构，丝胶蛋白丰富的氨

基、羟基等亲水极性基团与海藻酸钠的游离羟基和羧基形成氢键，形成第二网络（图5）。该支架用于软骨损伤的原位修复时，其三维多孔结构更接近软骨损伤修复微环境，有利于系统内细胞迁移和养分循环。同时可通过改变丝胶蛋白的含量来调节水凝胶的降解速率，使其与软骨再生速度相匹配，有望应用于临床软骨修复微创手术。利用钙离子将丝胶蛋白与海藻酸钠交联，形成半互穿的海藻酸钠/丝胶网络凝胶后，还可以进一步利用丝胶中酪氨酸的酚羟基还原阴离子，原位合成银纳米颗粒。制备的复合凝胶通过银纳米粒子不可逆地破坏细菌膜结构导致细菌裂解和死亡，表现出有效的抗菌活性，并促进创面愈合，可用于伤口促愈敷料［42］。

以N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵为自由基引发剂，四甲基乙二胺为催化剂，通过自由基聚合反应可制备丝胶蛋白-聚丙烯酰胺半互穿网络复合水凝胶。该复合水凝胶的凝胶时间、微结构、溶胀率、平衡含水量、抗压强度和体外降解速率可通过改变丝胶蛋白浓度进行调节。凝胶中相互连接的三维亲水网络能支持成纤维细胞的生长，扩散营养物质、治疗药物和伤口渗出液，并保持适当的潮湿环境。因此，该复合水凝胶在组织工程、治疗递送和其他生物医学方面具有潜在的应用前景［43］。

无论使用单一或是复合交联剂都能有效提升丝胶蛋白水凝胶的稳定性和机械性能，但大多交联剂存在一定毒性。为保障凝胶的应用，应优先选择毒性低、残留少或易清除的交联剂，同时需对交联剂的残余及水凝胶的细胞毒性进行评估。利用复合交联剂构建丝胶蛋白复合凝胶，达到最佳利用目的是目前较为广泛的凝胶构建策略。

3 紫外光催化交联丝胶蛋白水凝胶

紫外光诱导催化可促使丝胶蛋白的二级结构向更稳定的β-折叠结构过渡。凝胶前驱溶液在紫外线的照射下会产生活性自由基或阳离子，引发预聚体的连锁聚合、交联化学反应，形成凝胶网络［44］。由于丝胶蛋白的提取方法苛刻（高温和碱性）及低分子量肽的存在，难以直接光交联成水凝胶，适当的化学功能化处理可赋予丝胶蛋白光交联特性。如Qi等［45］将甲基丙烯酸基团引入到丝胶蛋白侧链基团（胺和羟基）上，在紫外光照射下，丝胶-甲基丙烯酰溶液通过甲基丙烯酰基团的光聚合快速原位交联形成水凝胶。通过改变甲基丙烯酰取代度，可快速调整水凝胶的网络密度、降解速率和力学性能。丝胶蛋白与其他聚合物在交联剂作用下构建的复合水凝胶会带有新的理化性质，但这可能需要牺牲丝胶的部分生物活性，采用光交联方式制备的丝胶水凝胶可最大程度地保留丝胶蛋白的特性。

紫外光交联配合3D打印技术，可用于定制大孔结构的丝胶基水凝胶支架，有利于保持伤口愈合所需的湿润洁净环境。如先将甲基丙烯酸酯基团结合到明胶的含胺侧基上，制成光敏性明胶，再将丝胶/光敏明胶混合物作为生物墨水装入注射器中，在紫外线照射下以一层一层的方式打印多孔基质;快速固化的基质通过乙醇浸泡，可获得更稳定、机械强度更高的结构，以构建空间互穿聚合物网络，制得三维透明的水凝胶支架。这种大孔结构的丝胶基水凝胶具有透明性好、溶胀率高、降解可控、生物相容性好等特点，是可视化创面护理的理想选择［46］。

4 转基因功能化丝胶蛋白水凝胶

将丝胶蛋白与其他聚合物或功能蛋白共混制备水凝胶，可以提高凝胶的机械性能并扩展生物功能，但与丝胶共混的聚合物本身的局限性也会阻碍丝胶基生物凝胶的应用。基于此，有研究者提出从源头上改变丝胶蛋白性能的策略，利用转基因技术在蚕的丝腺中特异性合成功能重组蛋白，并纺成蚕丝的丝胶蛋白层，提取的丝胶蛋白可制成外源蛋白功能化的丝胶水凝胶［47］。例如在转基因蚕的丝腺中合成重组人酸性成纤维细胞生长因子（FGF1），纺丝结茧时能有效保留FGF1的生物活性（图6）［48］。用化学性质温和的尿素来提取蚕茧中经转基因功能化的丝胶蛋白，并于4 ℃冷环境下诱导形成可注射水凝胶，其中的FGF1能持续释放，促进细胞增殖和伤口愈合，同时水凝胶的生物相容性能支持细胞的黏附和增殖。将功能蛋白的编码基因导入家蚕基因组中的方式，可以方便且经济地制备具有多种生物特性的功能化丝胶蛋白材料，并且能战略性地避免从外部添加功能性蛋白产生的风险。

5 结 论

丝胶蛋白具有丰富的开发价值和开发需求，适合于新型材料相关的生物医药领域。丝胶蛋白水凝胶具有优良的生物相容性、丰富的化学修饰位点、高度的亲水性和可控的降解性，已被广泛应用于皮肤创面敷料、软骨再生、神经修复、功能药物递送等方面。采用物理方法（如超声波诱导、自组装、真空冷冻干燥、乙醇诱导凝胶及反复冻融等）可制备纯丝胶蛋白凝胶，安全无毒，但凝胶的机械性能较差，多孔结构也难以调控。使用化学交联剂不仅能制备纯丝胶蛋白水凝胶，也能构建丝胶蛋白与其他物质的复合水凝胶，凝胶的机械性能提升，结构可控，并能叠加其他材料的优异性能，但用于生物医用材料时需充分考虑交联剂的毒副作用。紫外交联配合3D打印技术是有效的丝胶蛋白水凝胶构建方式，既能保持丝胶蛋白的特性，还可调控凝胶的结构及性能。转基因功能化方式能安全方便地赋予丝胶蛋白多种生物功能。无论采用何种策略构建丝胶蛋白水凝胶，其应用和发展主要从改善凝胶机械性能、避免化学交联剂毒性影响、挖掘凝胶材料新功能等方向发展，以获取更大的应用价值。

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Construction strategy and application of silk sericin hydrogels

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

MA Wei1， NIU Jinbao1， QI Shiyu1， LONG Tingjun1， DU Juncheng1， QU Jing1，2

（1.School of Textile Garment and Design， Changshu Institute of Technology， Suzhou 215500， China; 2.Key Laboratory ofTextile Industry for Silk Products in Medical and Health Use， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract： Sericin， a by-product of silk production， has good hydrophilicity， biodegradability and reactivity because of the rich polar amino acids and loose spatial structure. Sericin also has many biological activities such as anti-oxidation， anti-coagulation， hypoglycemic and promoting cell proliferation and differentiation. Sericin hydrogels formed by self-assembly or crosslinking agent have multiple advantages and are widely used in tissue engineering， wound repair， drug release and other fields. The construction strategies of sericin hydrogels include physical methods， chemical crosslinking， ultraviolet photocatalysis and transgenic functional modification.

Physical methods are used to construct sericin hydrogels mainly by triggering the polymerization of sericin molecules to generate intermolecular forces to form cross-linked networks. Inducing sericin hydrogels with ultrasound is to use the ultrasonic cavitation phenomenon in solution to act on sericin molecules in aqueous solution， cause a more violent collision between molecules and form a more stable and orderly spatial structure by rearrangement， so as to obtain a stable gel network structure insoluble in water. Vacuum freeze-drying technology facilitates the physical cross-linking to form a stable and firm spatial network structure using the characteristics of molecular response to ambient temperature changes. Sericin hydrogels prepared by high temperature， high pressure and self-assembly method have the advantages of mild reaction conditions and controllable gelation process. Repeated freezing and thawing is a safe and effective method for preparing porous gels. The obtained sericin hydrogels not only have excellent mechanical properties， high pore expansion ratio， good hydrophilicity and thermal stability， but the ability to load and release small molecule drugs and nanoparticles. In addition， adding an appropriate concentration of ethanol （15%） to the sericin solution can accelerate the gelation process of sericin and enhance the mechanical properties of the gel.

Chemical crosslinking promotes the formation of stable covalent bonds between sericin molecules， and enables sericin in solution to form a network structure and gelatinize， which can not only improve the mechanical properties of sericin hydrogels， but also make sericin and other component materials mixed into a multi-functional composite network structure of hydrogels. The stable pure sericin hydrogel or sericin complex gel that can be effectively constructed by using single crosslinking agents such as genipin， peroxidase and glutaraldehyde or compound crosslinking agents has been widely used in ischemic myocardial repair therapy， skin tissue regeneration and repair， tissue engineering scaffolds， drug delivery carriers， supporting neuronal network development， and improving the thermal stability and mechanical properties of cotton fabrics. When chemical agents are used to cross-link sericin hydrogels， the crosslinkers with low toxicity， few residues or easy removal should be preferentially selected， and the cytotoxicity of hydrogels should be evaluated to ensure the further application of hydrogels.

In addition to physical and chemical crosslinking methods， sericin hydrogels can also constructed by means of ultraviolet photocatalytic crosslinking and transgenic functional modification. UV light can induce free radical polymerization and construct in situ cross-linked transparent porous sericin-based hydrogels. With the use of 3D printing technology， sericin-based hydrogel scaffolds with large pore structure can be customized， which is conducive to maintaining the wet and clean environment required for wound healing， and is an ideal choice for visual wound care. By introducing the coding genes of functional proteins into the genome of silkworms and spinning into the sericin layer of silk， sericin biomaterials with various biological functions can be prepared conveniently and economically， which strategically avoids sourcing and safety risks from exogenously added functional proteins during materials fabrication.

Sericin hydrogels have excellent histocompatibility， abundant chemical modification sites， high hydrophilicity and controllable degradability. Sericin gels prepared with different construction strategies have been widely used in skin wound dressing， nerve regeneration， cartilage repair， functional drug delivery and other fields. Sericin gels are mainly developed and applied from the directions of improving the mechanical properties of gels， avoiding the toxic effects of chemical crosslinking agents and exploring new functions of gel materials， so as to obtain greater application value.

Key words： sericin; hydrogel; crosslinking; photocatalysis; wound dressing; tissue engineering

收稿日期： 2023-12-15; 修回日期： 2024-05-27

基金项目： 苏州大学纺织行业医疗健康用蚕丝制品重点实验室项目（SDHY2230）;江苏省高校自然科学基金项目（23KJB430003）

作者简介： 马维（1994），女，博士研究生，研究方向为功能高分子材料。通信作者：瞿静，博士，讲师，364385734@qq.com。