丝胶蛋白基水凝胶的制备及生物应用

水凝胶是一种具有三维网络结构的高分子材料,因其结构和功能与生物组织相似的特性,使其在生物医学等领域中得以广泛应用。丝胶蛋白由于其资源丰富、多种生物活性和优异的物理化学特性,成为一种极具潜力的水凝胶基材。丝胶蛋白基水凝胶是一种含有丝胶蛋白的三维网络结构的凝胶材料。本文首先介绍了丝胶蛋白的结构组成与特性,然后阐述了丝胶蛋白的提取方法和凝胶化机制,又总结了纯丝胶蛋白水凝胶与丝胶蛋白复合水凝胶的制备,最后简要分析了丝胶蛋白基水凝胶的生物应用。

丝素蛋白联合壳聚糖基热敏水凝胶的性能评估

目的在壳聚糖(CS)/羟丙基甲基纤维素(HPMC)热敏水凝胶的基础上,利用丝素蛋白(SF)与CS交联,构建CS/HPMC/SF水凝胶,研究SF对水凝胶的性能影响。方法共混法制备CS/HPMC混合溶液,向其中分别添加1%、5%、10%的SF溶液及交联剂京尼平,加入圆柱形模具中,升温至37℃,使溶液转为凝胶态。对水凝胶进行形貌、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射(XRD)以及亲水性及力学性能表征检测。结果扫描电子显微镜下观察水凝胶为多孔状,随着SF的加入,孔隙减少,出现裂痕。FTIR和XRD结果显示,CS与HPMC混合后结晶程度改变,当加入SF后,SF与CS发生化学交联,结构发生转变,水凝胶的亲水性也因此减弱。力学表征显示,当SF的添加量为5%时,水凝胶的回弹性最优,弹性模量最大,且基本保持不变。结论SF与CS的交联改进了CS基热敏水凝胶的性能,相比于其他组水凝胶,CS/HPMC-5%SF保持良好的亲水性且具有较好的力学性能。

丝素蛋白水凝胶的降解速率对其表面黏附细胞增殖的影响

采用相分离法分别制备了含蛋白酶和不含蛋白酶的两种丝素蛋白微球,并将这两种微球按不同配比包裹至以钌化物光交联的丝素蛋白水凝胶内部,研究该凝胶降解速率对其表面黏附细胞增殖的影响。通过质量损失法表征水凝胶的降解速率,用扫描电镜和电子万能试验机表征降解速率对水凝胶微观结构和压缩力学性能的影响,通过CCK-8法评估水凝胶降解速率对其表面细胞增殖的影响。研究结果表明:丝素蛋白水凝胶的降解使其表面形貌变得粗糙起伏、并逐渐变硬、变脆,当水凝胶内部包裹的不含酶微球和含酶微球质量比为7∶3时,其表面培养的细胞增殖最快。

丝素蛋白水凝胶中的蛋白构象转变速率对其表面黏附细胞增殖的影响

以辣根过氧化物酶温和介导交联的丝素蛋白(SF)水凝胶为模型材料,采用改变水凝胶交联密度的策略成功实现对水凝胶中蛋白构象转变速率的有效调控。考察了SF水凝胶中的蛋白构象转变速率对其表面黏附细胞增殖行为的影响。结果表明:水凝胶中的蛋白构象转变速率与交联密度呈反相关关系,即交联密度越小,构象转变越快;水凝胶表面的小鼠胚胎成纤维细胞(NIH3T3)增殖与SF构象转变速率大体呈正相关关系,但综合初始交联密度的影响,最终呈现出中等构象转变速率材料上细胞总量相对较少,最快构象转变速率材料上细胞总量相对较多的趋势。

负载Scriptaid甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶调控小胶质细胞的极化行为

背景:小胶质细胞是维持中枢神经系统平衡的主要参与者,在神经系统发育和功能重建中起重要作用。Scriptaid作为一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂具有抑制神经炎症和增强神经保护的作用。目的:探索负载Scriptaid的甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶对小胶质细胞行为的影响。方法:采用含不同浓度(0,0.1,0.5,1,2,5,10μmol/L)Scriptaid的培养液培养小胶质细胞(BV2细胞),利用CCK-8法与活/死细胞染色筛选Scriptaid的适宜干预浓度。采用光固化制备负载与未负载Scriptaid(1μmol/L)的甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶,表征水凝胶的微观形貌、溶胀性能、力学性能、缓释性能及亲水性。将小胶质细胞(BV2细胞)接种于24孔Transwell小室下室,分5组培养:对照组将细胞培养液加入下室,脂多糖组、Scriptaid组、单纯水凝胶组、载药水凝胶组将含有脂多糖的细胞培养液加入下室,脂多糖干预24 h后,Scriptaid组、单纯水凝胶组、载药水凝胶组上室分别加入Scriptaid、甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶、负载Scriptaid的甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶,将培养液更换为普通培养液继续培养24 h,通过CCK-8法检测细胞活性,通过诱导型一氧化氮合酶和精氨酸酶1免疫荧光染色检测细胞表型。结果与结论:①与未加入Scriptaid组相比,加入Scriptaid干预后BV2细胞的活性与数量均降低,当加入2μmol/L及以上Scriptaid时细胞活性低于标准化细胞活性(70%),并且细胞数量显著减少,所以选择1μmol/L Scriptaid负载于水凝胶中;②表征实验显示,Scriptaid的加入未影响甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶的微观形貌、吸水溶胀率、压缩模量与亲水性,甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶具有缓释性能;③CCK-8法检测显示,与对照组相比,甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶显著提高了BV2细胞活性(P<0.001);④免疫荧光染色显示,与对照组相比,脂多糖组细胞诱导型一氧化氮合酶表达量增加(P<0.01),载药水凝胶组细胞诱导型一氧化氮合酶表达量减少(P<0.01)、精氨酸酶1表达量增加(P<0.001),Scriptaid组细胞精氨酸酶1表达量增加(P<0.01);⑤结果表明,负载Scriptaid的甲基丙烯酰化丝素蛋白水凝胶可促进脂多糖诱导后的小胶质细胞向M2型极化。

清除活性氧用丝素水凝胶

在甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)修饰的丝素(SF)溶液中添加聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)和聚多巴胺纳米颗粒(PDA),通过紫外光(UV)引发聚合制备得到导电水凝胶PEDOT:PSS/PDA/SF。采用扫描电子显微镜(SEM)和对比实验研究了水凝胶的结构、特征物理量(流变性能、吸水和膨胀性能、力学性能)以及活性氧的清除能力。结果表明:水凝胶具有均匀的三维网络结构、良好的拉伸和压缩性能,且其杨氏模量与人体软组织的杨氏模量接近。该水凝胶材料具有一定的导电性,有利于伤口愈合,同时,其活性氧(ROS)清除能力良好。

丝素蛋白水凝胶的制备及其在骨再生研究中的最新进展

颌面骨缺损是临床上的常见病,大面积的骨缺损不仅影响人们生活质量而且会引发全身健康严重受损,甚至威胁生命,为社会医疗系统增加了沉重负担。临床上主要通过骨移植或骨替代物移植来促进骨缺损再生,骨替代物主要包括生物膜、支架材料、水凝胶等,其中水凝胶作为骨移植替代物修复骨缺损是目前较有前景的策略。水凝胶在药物缓释、骨缺损修复及细胞播种和封装等领域已取得了初步成效。在各种水凝胶材料中,丝素蛋白(silk fibroin,SF)具有优良的生物相容性、可调的生物降解、较小的免疫原性、优异的机械强度,在骨组织工程中具有较大潜力。本文综述了基于丝素蛋白的水凝胶的制备及其在骨组织修复和再生方面的重要研究进展。

泊洛沙姆对再生丝素蛋白凝胶化结构及形态的影响

研究了泊洛沙姆(Poloxamer)对再生丝素蛋白(RSF)凝胶化结构及形态的影响,利用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和热分析(TG-DTA)表征了Poloxamer对RSF凝胶化的影响作用。FTIR、XRD和TG-DTA研究表明Poloxamer与RSF共混后极大的加速了RSF的凝胶化转变,并且随着共混溶液中Poloxamer的相对分子质量越小,所占的共混比例越大,其凝胶化时间越短,但对所形成的水凝胶的结构和形态影响很小。SEM研究表明RSF-Poloxamer凝胶为片层状结构,这是由于其凝胶化过程中大量丝素分子由无规卷曲转变为β-折叠结构所致,随着Poloxamer含量的增加,RSF-Poloxamer凝胶的片层结构变得越来越规整。

丝素蛋白水凝胶的凝胶机理及改性方法研究进展

水凝胶材料由于具备与人体软组织相似的特性而极具医用价值。以丝素蛋白为原料,采用有机溶剂诱导法可将丝素蛋白的凝胶时间由数天缩短到数小时;用碳化二亚胺（EDC）作活化交联剂制备的丝素/胶原复合水凝胶其储存模量可达10k Pa;通过酶催化作用交联形成的丝素蛋白水凝胶植入动物体内后,兼具良好的组织相容性与可生物降解性。本文首先阐述丝素蛋白水凝胶的凝胶机理,然后系统介绍了国内外多种丝素蛋白水凝胶的制备与改性方法及其基础原理,分析了丝素蛋白水凝胶作为新型生物材料在未来的临床医学应用中具有的巨大潜力,并提出了今后该领域需要攻克的基础理论问题与产品临床应用需要解决的技术问题。

丝素蛋白／聚氨酯水凝胶的制备及其释药性能

以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚乙二醇(PEG)、聚氧化丙烯二醇(PPG)等为主要原料,合成NCO封端的阴离子型聚氨酯(PU)预聚体,经过三乙胺(TEA)中和成盐后与丝素蛋白(SF)水溶液混合,制备出具有交联结构的丝素蛋白/聚氨酯(SF/PU)水凝胶。全反射红外光谱法(ATR)表征了SF/PU水凝胶的结构;扫描电子显微镜(SEM)观察了SF/PU水凝胶的断面形态,显示出SF/PU水凝胶具有多孔结构;紫外分光光度计法研究了SF/PU水凝胶对氯霉素和环丙沙星两种药物的释药性能,药物释放时间在10h以上;抑菌圈实验表明载药后的水凝胶对大肠杆菌的生长具有抑制作用。

OBC/SF复合软骨支架的制备及性能

采用TEMPO/Na Br/Na Cl O体系对细菌纤维素(BC)进行氧化改性,然后以氧化细菌纤维素(OBC)、丝蛋白(SF)作为基础材料,负载骨形态发生蛋白(BMP-2),经电凝胶技术制备负载BMP-2的OBC/SF复合水凝胶。通过扫描电镜(SEM)、孔隙率、力学性能、体外降解率测试对所制备的复合水凝胶进行表征,将软骨细胞种植于负载BMP-2的OBC/SF复合水凝胶支架上进行体外联合培养,观察软骨细胞在支架中的增殖情况。结果表明:该OBC/SF复合水凝胶是一种具有细腻、疏松的双网络孔隙结构,良好的降解性能、优异的力学性能,适合细胞增殖的骨组织工程支架材料;BMP-2的加入有诱导软骨细胞分化,维持软骨细胞特点的作用。

丝素蛋白水凝胶作为药物载体材料的研究进展

丝素蛋白是一种天然高分子生物材料,它具有独特的结构及自组装能力,无毒性、无刺激性、优良的生物相容性和可降解性等特点。由丝素蛋白制备的水凝胶具适宜的机械强度,可控的药物释放速度及药物存储和缓释性。本文基于丝素蛋白的结构特点及制备方法,综述了近年来丝素蛋白水凝胶作为药物载体材料的研究进展。

光交联自支撑丝素蛋白水凝胶的三维快速成型

将丝素蛋白(SF)光诱导自交联原理与挤出式三维(3D)打印相结合,开发了光交联自支撑SF水凝胶的原位成型加工技术.采用旋转流变仪、光流变测试系统和改装的挤出式3D打印设备等对SF溶液的流变性能、光交联性能和成型加工性能等进行研究.结果表明,SF溶液主要表现为黏性特征,结构强度和稳定性均较差.利用SF的光诱导自交联特性,以三联吡啶氯化钌[Ru(Ⅱ)]和过硫酸钾(KPS)为蓝光引发体系,可实现SF水凝胶的快速光交联成型.SF光交联行为符合指数函数增长模型,因“滤镜效应”,当Ru(Ⅱ)的浓度为0.05 mmol/L时,SF具有最佳的光交联性能.通过调节气压、针头孔径、移动速度及固化速率等参数,采用3D打印设备可实现从单层几何结构到多层三维网络构型SF凝胶材料的高效、精准构建,为SF的生物3D打印提供了新思路.

N-月桂酰肌氨酸钠/丝素蛋白水凝胶的研究

为实现水凝胶在生物医用材料领域更高的应用价值,丝素蛋白水凝胶需要满足胶凝时间可控并且具有良好细胞相容性。文章采用N-月桂酰肌氨酸钠(SNS)与丝素蛋白(SF)水溶液共混制备水凝胶,讨论了所形成的水凝胶(SNS/SF)胶凝时间与温度、丝素浓度、SNS质量浓度之间的关系。采用傅里叶红外光谱图和X射线衍射曲线表征了其结构,采用扫描电镜观察其内部孔结构,在水凝胶表面接种L929细胞验证其细胞相容性。结果表明:SNS/SF水凝胶的胶凝时间与温度、SNS质量浓度成反比,水凝胶中的丝素蛋白分子形成β-折叠结构。L929成纤维细胞在凝胶上呈对数稳定增长,说明水凝胶具有良好的细胞相容性,具有用于组织修复的潜力。

蚕丝蛋白/明胶复合水凝胶的结构与生物相容性

针对蚕丝蛋白水凝胶不易快速凝胶成型的问题,将明胶蛋白水溶液与蚕丝蛋白以一定质量比复合,通过挤出式3D打印设备制备得到蚕丝蛋白/明胶复合水凝胶,并对复合水凝胶的流变性能、微观结构和生物相容性进行分析。结果表明:明胶的添加提高了复合水凝胶的黏度和储能模量,有利于3D打印过程中蚕丝蛋白的快速凝胶成型;明胶的添加未对蚕丝蛋白的二级结构产生影响,通过3D打印法可制备具有微周期格栅状蚕丝蛋白/明胶复合水凝胶支架,该支架具有三维多孔结构;当蚕丝蛋白与明胶质量比为50∶50时,复合水凝胶支架的断裂强度达3.43 MPa,是纯蚕丝蛋白的3.9倍;培养7 d后,MC3T3-E1细胞可在复合水凝胶支架上生长、增殖和分化。

丝素蛋白/纳米羟基磷灰石/淫羊藿苷可促进移植骨髓间充质干细胞增殖分化为髓核样细胞

背景:近年来利用组织工程技术修复椎间盘退变成为脊柱外科领域的研究热点。目的:对比丝素蛋白/纳米羟基磷灰石/淫羊藿苷与丝素蛋白/纳米羟基磷灰石复合材料在椎间盘退变修复中的效果。方法:采用物理共混法与致孔剂制备丝素蛋白/纳米羟基磷灰石水凝胶,将水凝胶直接与淫羊藿苷物理混合制备含淫羊藿苷(10 mmol/L)的水凝胶。采用髓核抽吸法建立新西兰大白兔椎间盘退变动物模型,将造模成功的36只兔随机分3组,每组12只:模型组采用微量注射器向椎间盘内注射PBS,对照组注射丝素蛋白/羟基磷灰石水凝胶与骨髓间充质干细胞悬液,实验组注射丝素蛋白/羟基磷灰石水/淫羊藿苷凝胶与骨髓间充质干细胞悬液。正常组(n=12)不建模也不进行任何处理。术后4,8,12周进行X射线片、MRI检查,术后12周进行组织学(苏木精-伊红染色与甲苯胺蓝染色)、RT-PCR检测(Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、Sox9 mRNA的表达)与Western blotting检测(Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、Sox9蛋白的表达)。结果与结论:(1)X射线片显示,术后4,8,12周时,模型组椎间盘高度逐渐下降,对照组、实验组椎间盘高度逐渐增加,其中实验组兔椎间盘高度的恢复好于对照组;(2)MRI检查显示,术后4,8,12周时,模型组兔椎间盘T2加权像信号值呈逐渐降低趋势,对照组与实验组逐渐升高,其中以实验组升高更明显;(3)苏木精-伊红染色显示,模型组髓核组织破坏较明显,髓核细胞显著减少;对照组髓核组织欠完整,中央髓核区可见少量髓核样细胞增生;实验组髓核组织较完整,中央髓核区可见大量髓核样细胞增生;(4)甲苯胺蓝染色显示,模型组髓核无着色,对照组中度染色,实验组髓深染;(5)RT-PCR与Western blotting检测显示,模型组Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、Sox9的mRNA及蛋白表达水平低于正常组(P<0.05),对照组与实验组的Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、Sox9的mRNA及蛋白表达水平高于模型组(P<0.05),实验组的Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、Sox9的mRNA及蛋白表达水平高于对照组(P<0.05);(6)结果表明,丝素蛋白/羟基磷灰石水凝胶联合淫羊藿苷可促进移植骨髓间充质干细胞增殖并分化为髓核样细胞,增加细胞基质的合成,促进退变椎间盘的修复。

再生丝素蛋白水凝胶的性质及应用

研究水凝胶的结构、特性及分类,并阐述再生丝素蛋白水凝胶的凝胶机理、改性方法及应用现状,为再生丝素蛋白水凝胶的性能研究及应用提供一定的参考价值。研究结果表明,再生丝素材料因其良好的可降解性、生物相容性、易加工等性质备受关注,丝素水凝胶是再生丝素材料重要表现形态之一,目前被广泛应用于生长因子、药物的缓释载体及作为细胞培养支架。

不同PEG分子量对SF/PU复合水凝胶性能的影响

以IPDI(异佛尔酮二异氰酸酯)为硬段,PEG(聚乙二醇)、PPG(聚氧化丙烯二醇)为软段,DMPA(二羟甲基丙酸)、DEG(一缩二乙二醇)为扩链剂,TEA(三乙胺)为中和剂合成了一系列不同PEG分子量的聚氨酯(PU)预聚体,与丝素蛋白(SF)交联制备了SF/PU复合水凝胶。通过形貌分析、溶胀温敏性及抗压性能探究了PEG的分子量对水凝胶性能的影响。结果显示,PEG的分子量为4000时水凝胶的平衡溶胀吸水率可高达8.30,最大压缩模量为0.436MPa;而PEG的分子量为1000时水凝胶的平衡溶胀吸水率仅为1.15,压缩模量可高达0.924MPa。验证了PEG的分子量对SF/PU复合水凝胶性能的影响比较显著。

丝素蛋白水凝胶材料在组织工程中的应用研究进展

组织工程技术是有望从根本上解决组织或器官损伤及实现功能重建的前沿技术,其关键之一是制备具有良好生物相容性和生物降解性的支架材料。水凝胶由于具有众多良好的特性,成为组织工程研究中一种优良的支架材料。丝素蛋白水凝胶由于独特的性质、多样化的成胶方式以及优异的可加工性成为了支架材料研究的热点,备受学者的青睐并涌现出了大量的研究成果。本文在阐明丝素蛋白凝胶原理的基础上,回顾了目前较为成熟的凝胶化方法,随后重点综述了丝素蛋白水凝胶在组织工程中的研究进展,最后进行了总结和展望,以期为相关领域的研究者提供参考和借鉴。

丝素蛋白微针溶胀给药系统的研究

研究了一种微针溶胀给药系统,采用生物相容性良好的丝素蛋白为微针基材,将丝素溶液浇注于聚二甲基硅氧烷模具中,经过抽真空、恒温恒湿干燥成型,获得丝素干凝胶微针。为了获得溶胀型微针,加入乙二醇甲醚、尿素等小分子溶胀剂与丝素蛋白共混,研究了微针溶失、溶胀、压缩强度、药物释放等性能。采用X射线衍射测试了丝素蛋白微针干、湿态下的结晶结构。结果表明:加入的乙二醇甲醚与丝素质量比为1︰10时,丝素蛋白微针溶失性小,溶胀性能、强度、透皮释药速率及释药率较好。