基本介紹
- 中文名：蠶絲蛋白
- 外文名：Fibroin；シルクタンパク
- 別名：絲素蛋白
- 類別：護膚
- 成分：蠶絲
物質簡介,提取工藝,相關指標,性能,總結展望,
物質簡介
提取工藝
②水解：嚴格控制反應的溫度、浴比、時間、溶劑濃度等條件，掌握至多肽的形式終止水解。
③過濾提純：濾去沒有完全水解的固體物質及雜質。
④pH調整：用pH調節劑調整pH在6．5~7．0左右。
相關指標
絲素肽又名絲多縮氨酸(SILK Polypeptide)，其多肽鍵夜贈嬸乘的基本結構為 其中Rl、R2……R。為胺基酸側基。 絲素肽含有十七種胺基酸，其中人體所需的胺基酸幾乎具備，特別是人體皮膚、毛髮十分需要的營養胺基酸(甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸、酪氨酸)其含量占到胺基酸總量的80%以上，這是其他水解蛋白所不可及的。
技術指標：①外觀形狀：淡黃色透明液體，無特異氣味，易溶於水。②雙縮脲反應為陽性，謎糊紫外吸收光譜在波長200~240nm處有強吸收峰。③pH值6～7。④比重(d 2。o)1．000~1．050。⑨蛋白質含量：>/14%。⑥胺基酸：共17種，每ml中含87mg以上。⑦灰分：1%以下。⑧重金屬汞、砷、鉛分別在1ppm以下。⑨細菌總數(個/m1)≤10。⑩糞大腸桿菌、綠膿桿菌、金黃色葡萄球菌均不得檢出。
絲素蛋白材料改性的研究進展
絲素蛋白是一種從蠶絲中提取的蛋白質，具有很好的生物相容性，能製備成膜、凝膠、微膠囊等多種形態的材料，由於它獨特的理化性能，目前絲素蛋白材料在生物醫學材料領域被廣泛的研究，如固定化酶材料、細胞培養基質、藥物緩釋劑、人工器官等等。為了提高絲素蛋白的性能，使其更好地套用於生物材料領域，近年來，國內外學者通過不同方法對絲素蛋白進行了化學修飾，取得了一些新的研究成果。本文概述了絲素蛋白材料改性在提高絲素蛋白材料的力學性能、熱穩定性等理全滲戰化性質；改變絲素蛋白材料對藥物的釋放速度；賦予絲素蛋白材料抗血凝性、對細胞生長祖捉備微的調控性等方面的研究報導。
性能
1提高力學性能
絲素膜是被研究得最早和最深入的絲素材料，它是由絲素溶液乾燥而得。經不溶化處理後的絲素膜脆性，是絲素膜的最大缺點。造成不溶化處理後的絲素膜脆性的主要原因是：絲素蛋白質大分子肽鏈上的肽鍵—CO—NH—中的C—N的鍵長為0.132nm，比C—N單鍵的鍵長0.147nm要短一點，比C=N雙鍵的鍵長0.127nm要長些，使肽鏈具有部分雙鍵的性質，剛性較大，影響了絲素蛋白質大分子主鏈的柔順性。在經不溶化處理過程中，絲素蛋白的結構會發生從任意捲曲到β結構的轉變。在絲素蛋白發生結構轉變後，側鏈與側鏈間、側鏈與主鏈間以及分子與分子之間可形成大量的氫鍵結合，產生大量的次級交聯點,使絲素蛋白質大分子更難以運動，致使絲素膜的柔軟性、伸長和彈性都較差。不少研究通過共混、接枝、交聯等方法，以提高和改良絲素膜的力學性能。
1.1共混改性
Freddi等曾報導過絲素蛋白/纖維素共混膜的性能。纖維素的加入可以有效地放采跨改變共混膜的力學性能。拉伸斷裂強度隨著纖維素的含量從20%起呈線性增加，斷裂伸長率則在20%～40%間急速增加，而後趨於緩和。含40%纖維素共混膜的柔韌度大約是純絲素膜的10倍。共混膜柔韌度的提高由多種因素促成，如纖維素的力學性能的影響；共混膜的吸濕性純絲素膜強，含水率的提高有利於絲素膜的柔韌度提高；相鄰絲素蛋白鏈和纖維素鏈在無定形區內的相互作用產生的影響等。
李明忠等曾報導過關於絲素/聚氨酯共混膜的力學性能的研究。結果表明，隨著聚氨酯所占比例的提高，絲素/聚氨酯共混膜的斷裂伸長率明顯增大；當聚氨酯所占比例大於40%時，斷裂伸長率增長速度明顯加快。當共混比例為50∶50時，斷裂伸長率從60.2%提高到226.2%。聚氨酯阻止了絲素蛋白質大分子鏈段間產生過多的氫鍵結合，降低了絲素的結晶度，增加了可自由伸展鏈段，加上聚氨酯主鏈本身具備很好的柔順性，所以共混膜的柔軟性、彈性明顯比純絲素膜好。
最近，美國學者也曾做過這方面的實驗。聚乙烯氧化物（PEO）是一種具有很好生物相容性的聚合體。他們在高濃縮的絲素溶液（8%）中加入不同比例的PEO溶液製成共混膜，發現加入2%的PEO可以提高膜埋埋囑的強度，而在其他濃度下再主櫃膜的強度則降低。這種現象可以用相分離來解釋。PEO和絲素蛋白兩種聚合體發生相分離，阻止了絲素蛋白相內的相互作用。
當PEO含量達40%時，共混膜的斷裂伸長率可從原來的1.9%增加到10.9%，因此，PEO的加入有助於絲素蛋白柔韌性的提高。另外，研究還發現PEO能方便地從共混膜上萃取，因此，很容易控制膜的多孔性和表面粗糙程度。
王朝霞等人研究了絲素/聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）共混膜的製備方法和性能。結果表明，PVP與絲素蛋白共混後，可使共混膜增加伸長率、吸濕性以及透氣性，改善了絲素創面保護膜的性能和套用效果。共混膜的強度隨PVP含量的增加而有所降低。這是因為PVP是完全非晶態結構，其分子呈無規捲曲狀，故PVP的加入使共混膜的強度降低。共混膜的伸長率開始隨PVP的比例增加而下降，PVP/SF為2∶8時，伸長率較小，只有13%左右。而後伸長率又逐漸提高。PVP/SF為3∶7左右時，伸長率最大，可達18%以上。
關於絲素共混膜的研究還有絲素蛋白/海藻酸鈉共混膜[5]，絲素/明膠[6]等等，都不同程度地增強了絲素膜的強度和彈性。
1.2化學接枝改性
20世紀80～90年代，開展了較多的對絲素蛋白的接枝改性研究。劉劍洪等曾用四價鈰鹽作引發劑，引發絲素蛋白纖維接枝紫外吸收劑——2-羥基-4-丙烯醯氧二苯酮（HAOBP），雖然改善了絲素蛋白纖維的紫外穩定性能，且力學性能卻大幅度地下降[7]。為了解決這一問題，劉劍洪繼續採用“無引發劑聚合”法在絲素蛋白纖維表面接枝HAOBP的可行性。結果發現，這種接枝聚合方法是一種更為有效的改性方法。接枝0.6%HAOBP的絲素蛋白纖維，其熱穩定性及紫外穩定性均得到了顯著的改善，但力學性能沒有下降。
除了家蠶絲的化學接枝外，還有其他蠶絲的接枝共聚。Tsukada等研究了酸酐對柞蠶絲的化學修飾。柞蠶絲經LiSCN預處理後，與酸酐發生醯胺化反應。有意思的是，無論LiSCN預處理還是醯胺化修飾，共聚物的物理性能和熱行為幾乎沒有發生變化，但是預處理後含水率有所增加，而醯胺化修飾後含水率卻線性下降。柞蠶絲的這些性能為聚合反應提供較寬的適用範圍，使得柞蠶絲很可能成為一種生物材料。
1.3化學交聯 盧神州等以環氧氯丙烷和聚乙二醇（PEG）為原料，在鹼性催化下反應得到聚乙二醇縮水甘油醚（PEGO），作為製備絲素蛋白膜的交聯劑。隨PEG含量的增加，膜的拉伸斷裂強度和楊氏模量減小，斷裂伸長率增大、機械性能比純絲素膜有了明顯的提高 。 閔思佳等發現用二縮水甘油基乙醚作為交聯劑所製備的絲素蛋白質凝膠（CFG）具有良好的強度和柔韌性。根據製作條件可達壓縮強度大於100g/mm2,壓縮變形率大於60%。另外，材料的力學強度跟絲素水溶液的濃度有關。4%（wt）的絲素蛋白質水溶液的各種凝膠的強度和變形率均小於7%（wt）濃度的各種凝膠。這是因為絲素蛋白質濃度低時，形成的三維網目的結合點稀疏，因此，凝膠強度較低。要得到高強度CFG，除了合適的交聯劑等外，還需有合適的絲素水溶液濃度。
2提高熱性能
聚丙烯醯胺（PAAm）是一種水溶性聚合物，目前，它在生物醫學和製藥上被用作水凝膠，與血液有良好的相容性。因此，絲素蛋白與PAAm共混膜的性能也廣受學者的關注。Freddi等曾報導了絲素/聚丙烯醯胺共混膜的結構和物理性能。通過測定混合前後熱能的變化來分析，結果表明PAAm的加入，提高了絲素蛋白的熱穩定性。即使PAAm含量很低（小於25%）時，膜斷裂至少在300℃（比純絲素蛋白高出100℃）。高溫下，絲素蛋白的動力學損耗係數峰發生了很大的變化，這些都歸因於PAAm鏈的導入增強了絲素鏈的分子運動所造成的。
3調控釋放速度
閔思佳等曾測試了醯胺化修飾絲素材料對離子型化合物的吸附釋放性能的影響。結果表明：經修飾後絲素蛋白質的等電點為pH=6左右，而天然的為pH=4左右；與未修飾相比，經修飾的絲素膜對陽離子化合物的吸附量減少，對陰離子化合物的吸附量增加，而且經修飾的多孔絲素材料對陽離子化合物的釋放量增加，對陰離子化合物的釋放量則明顯降低。因此，認為用羧基醯胺化修飾的方法，可在一定程度上改變絲素材料對離子型化合物的吸收釋放性能。
另外，用甲殼素交聯絲素蛋白膜可以獲得半滲透聚合體網狀物，對離子和pH具有很好的敏感性，被期望用作人工肌腱。有人曾用含有磁小體的交聯殼聚糖絲素膜作為藥物緩釋材料來調控5-氟尿嘧啶藥物釋放情況和磁反應特性。結果表明，交聯殼聚糖絲素膜的釋放程度和誘捕效率比純甲殼素微球體要好得多，5-氟的釋放程度隨著交聯劑戊二醛濃度的增加而降低。
4提高抗血凝性
異丁烯醯基丙烯醯基磷酸膽鹼（MPC）是一種新合成的磷酸膽鹼聚合物。在沒有抗凝血劑的條件下，也能有效地阻止血凝的發生。把MPC聚合物接枝到絲素蛋白分子鏈上，可以很好地觀察到接枝物的抗血凝性。Furuzono等通過異丁烯醯基丙烯醯基異氰酸酯（MOI）使絲素蛋白和MPC聚合體相互接枝。通過測定血小板在MPC-SF上的粘附能力，與原始絲素SF相比，血小板粘附量有了明顯的減少。由此可以得出，經MPC修飾後的絲素材料的抗血凝性有所提高[17]。
5調控絲素蛋白細胞培養基質的功能
5.1絲素/低聚糖接枝物
N-乙炔-殼聚寡糖（NACOS）含有6個以上的單糖單元，具有很強的抗菌性和抗腫瘤性。將其接枝到絲素蛋白上後，並在0.6%殼聚寡糖/絲素接枝物（NACOS-SF）上培養大腸桿菌24h後發現，此接枝物上大腸桿菌的細胞數目並沒有明顯的增加，這就是低聚寡糖（COS）發揮了作用。因此，NACOS-SF可以起到抗菌抑菌的效果。
最近，Gotoh等報導了關於乳糖/絲素接枝物作為肝細胞粘附支架材料的研究。他們利用氰尿醯氯（CY）把乳糖接枝到絲素蛋白主鏈上，所得溶液製成膜，在其上培養肝細胞，結果發現細胞粘附能力是純絲素膜的8倍，與膠原相當；培養2d後，塗有接枝物的肝細胞形成的單層與膠原相比稍顯圓滑和集中，更有利於肝細胞的培養。
5.2絲素/聚合體接枝物
為評估材料的親水性，Gotoh等分別測定了聚乙二醇/絲素接枝物（PEG-SF）和絲素（SF）的水分含量和接觸角。結果發現，PEG-SF含水率達380%，而SF只有32%。這也說明了親水性PEG連結枝到絲素鏈上後，增加了水分含量，從而提高了絲素材料的親水性。
親水性的提高，可以帶來其他性能的改變。Gotoh等以PEG-SF作細胞培養基質，與SF對照，比較細胞的生長率。結果顯示，隨著時間的推移，SF上的培養細胞個數有了明顯的增加，而PEG-SF則幾乎沒有變化。從PEG-SF對細胞的低吸附性和低生長率上可以得出，PEG-SF可以調控細胞粘附的數量和生長速度。
總結展望
2014年11月20日，西南大學家蠶基因組生物學國家重點實驗室通過敲除Fib-H基因獲得空絲腺，蠶寶寶吐出人工合成蠶絲蛋白，人們或許可以穿上人工合成蠶絲做的衣服。
性能
1提高力學性能
絲素膜是被研究得最早和最深入的絲素材料，它是由絲素溶液乾燥而得。經不溶化處理後的絲素膜脆性，是絲素膜的最大缺點。造成不溶化處理後的絲素膜脆性的主要原因是：絲素蛋白質大分子肽鏈上的肽鍵—CO—NH—中的C—N的鍵長為0.132nm，比C—N單鍵的鍵長0.147nm要短一點，比C=N雙鍵的鍵長0.127nm要長些，使肽鏈具有部分雙鍵的性質，剛性較大，影響了絲素蛋白質大分子主鏈的柔順性。在經不溶化處理過程中，絲素蛋白的結構會發生從任意捲曲到β結構的轉變。在絲素蛋白發生結構轉變後，側鏈與側鏈間、側鏈與主鏈間以及分子與分子之間可形成大量的氫鍵結合，產生大量的次級交聯點,使絲素蛋白質大分子更難以運動，致使絲素膜的柔軟性、伸長和彈性都較差。不少研究通過共混、接枝、交聯等方法，以提高和改良絲素膜的力學性能。
1.1共混改性
Freddi等曾報導過絲素蛋白/纖維素共混膜的性能。纖維素的加入可以有效地改變共混膜的力學性能。拉伸斷裂強度隨著纖維素的含量從20%起呈線性增加，斷裂伸長率則在20%～40%間急速增加，而後趨於緩和。含40%纖維素共混膜的柔韌度大約是純絲素膜的10倍。共混膜柔韌度的提高由多種因素促成，如纖維素的力學性能的影響；共混膜的吸濕性純絲素膜強，含水率的提高有利於絲素膜的柔韌度提高；相鄰絲素蛋白鏈和纖維素鏈在無定形區內的相互作用產生的影響等。
李明忠等曾報導過關於絲素/聚氨酯共混膜的力學性能的研究。結果表明，隨著聚氨酯所占比例的提高，絲素/聚氨酯共混膜的斷裂伸長率明顯增大；當聚氨酯所占比例大於40%時，斷裂伸長率增長速度明顯加快。當共混比例為50∶50時，斷裂伸長率從60.2%提高到226.2%。聚氨酯阻止了絲素蛋白質大分子鏈段間產生過多的氫鍵結合，降低了絲素的結晶度，增加了可自由伸展鏈段，加上聚氨酯主鏈本身具備很好的柔順性，所以共混膜的柔軟性、彈性明顯比純絲素膜好。
最近，美國學者也曾做過這方面的實驗。聚乙烯氧化物（PEO）是一種具有很好生物相容性的聚合體。他們在高濃縮的絲素溶液（8%）中加入不同比例的PEO溶液製成共混膜，發現加入2%的PEO可以提高膜的強度，而在其他濃度下膜的強度則降低。這種現象可以用相分離來解釋。PEO和絲素蛋白兩種聚合體發生相分離，阻止了絲素蛋白相內的相互作用。
當PEO含量達40%時，共混膜的斷裂伸長率可從原來的1.9%增加到10.9%，因此，PEO的加入有助於絲素蛋白柔韌性的提高。另外，研究還發現PEO能方便地從共混膜上萃取，因此，很容易控制膜的多孔性和表面粗糙程度。
關於絲素共混膜的研究還有絲素蛋白/海藻酸鈉共混膜[5]，絲素/明膠[6]等等，都不同程度地增強了絲素膜的強度和彈性。
1.2化學接枝改性
20世紀80～90年代，開展了較多的對絲素蛋白的接枝改性研究。劉劍洪等曾用四價鈰鹽作引發劑，引發絲素蛋白纖維接枝紫外吸收劑——2-羥基-4-丙烯醯氧二苯酮（HAOBP），雖然改善了絲素蛋白纖維的紫外穩定性能，且力學性能卻大幅度地下降[7]。為了解決這一問題，劉劍洪繼續採用“無引發劑聚合”法在絲素蛋白纖維表面接枝HAOBP的可行性。結果發現，這種接枝聚合方法是一種更為有效的改性方法。接枝0.6%HAOBP的絲素蛋白纖維，其熱穩定性及紫外穩定性均得到了顯著的改善，但力學性能沒有下降。
除了家蠶絲的化學接枝外，還有其他蠶絲的接枝共聚。Tsukada等研究了酸酐對柞蠶絲的化學修飾。柞蠶絲經LiSCN預處理後，與酸酐發生醯胺化反應。有意思的是，無論LiSCN預處理還是醯胺化修飾，共聚物的物理性能和熱行為幾乎沒有發生變化，但是預處理後含水率有所增加，而醯胺化修飾後含水率卻線性下降。柞蠶絲的這些性能為聚合反應提供較寬的適用範圍，使得柞蠶絲很可能成為一種生物材料。
1.3化學交聯 盧神州等以環氧氯丙烷和聚乙二醇（PEG）為原料，在鹼性催化下反應得到聚乙二醇縮水甘油醚（PEGO），作為製備絲素蛋白膜的交聯劑。隨PEG含量的增加，膜的拉伸斷裂強度和楊氏模量減小，斷裂伸長率增大、機械性能比純絲素膜有了明顯的提高 。 閔思佳等發現用二縮水甘油基乙醚作為交聯劑所製備的絲素蛋白質凝膠（CFG）具有良好的強度和柔韌性。根據製作條件可達壓縮強度大於100g/mm2,壓縮變形率大於60%。另外，材料的力學強度跟絲素水溶液的濃度有關。4%（wt）的絲素蛋白質水溶液的各種凝膠的強度和變形率均小於7%（wt）濃度的各種凝膠。這是因為絲素蛋白質濃度低時，形成的三維網目的結合點稀疏，因此，凝膠強度較低。要得到高強度CFG，除了合適的交聯劑等外，還需有合適的絲素水溶液濃度。
2提高熱性能
聚丙烯醯胺（PAAm）是一種水溶性聚合物，目前，它在生物醫學和製藥上被用作水凝膠，與血液有良好的相容性。因此，絲素蛋白與PAAm共混膜的性能也廣受學者的關注。Freddi等曾報導了絲素/聚丙烯醯胺共混膜的結構和物理性能。通過測定混合前後熱能的變化來分析，結果表明PAAm的加入，提高了絲素蛋白的熱穩定性。即使PAAm含量很低（小於25%）時，膜斷裂至少在300℃（比純絲素蛋白高出100℃）。高溫下，絲素蛋白的動力學損耗係數峰發生了很大的變化，這些都歸因於PAAm鏈的導入增強了絲素鏈的分子運動所造成的。
3調控釋放速度
另外，用甲殼素交聯絲素蛋白膜可以獲得半滲透聚合體網狀物，對離子和pH具有很好的敏感性，被期望用作人工肌腱。有人曾用含有磁小體的交聯殼聚糖絲素膜作為藥物緩釋材料來調控5-氟尿嘧啶藥物釋放情況和磁反應特性。結果表明，交聯殼聚糖絲素膜的釋放程度和誘捕效率比純甲殼素微球體要好得多，5-氟的釋放程度隨著交聯劑戊二醛濃度的增加而降低。
4提高抗血凝性
異丁烯醯基丙烯醯基磷酸膽鹼（MPC）是一種新合成的磷酸膽鹼聚合物。在沒有抗凝血劑的條件下，也能有效地阻止血凝的發生。把MPC聚合物接枝到絲素蛋白分子鏈上，可以很好地觀察到接枝物的抗血凝性。Furuzono等通過異丁烯醯基丙烯醯基異氰酸酯（MOI）使絲素蛋白和MPC聚合體相互接枝。通過測定血小板在MPC-SF上的粘附能力，與原始絲素SF相比，血小板粘附量有了明顯的減少。由此可以得出，經MPC修飾後的絲素材料的抗血凝性有所提高[17]。
5調控絲素蛋白細胞培養基質的功能
5.1絲素/低聚糖接枝物
N-乙炔-殼聚寡糖（NACOS）含有6個以上的單糖單元，具有很強的抗菌性和抗腫瘤性。將其接枝到絲素蛋白上後，並在0.6%殼聚寡糖/絲素接枝物（NACOS-SF）上培養大腸桿菌24h後發現，此接枝物上大腸桿菌的細胞數目並沒有明顯的增加，這就是低聚寡糖（COS）發揮了作用。因此，NACOS-SF可以起到抗菌抑菌的效果。
最近，Gotoh等報導了關於乳糖/絲素接枝物作為肝細胞粘附支架材料的研究。他們利用氰尿醯氯（CY）把乳糖接枝到絲素蛋白主鏈上，所得溶液製成膜，在其上培養肝細胞，結果發現細胞粘附能力是純絲素膜的8倍，與膠原相當；培養2d後，塗有接枝物的肝細胞形成的單層與膠原相比稍顯圓滑和集中，更有利於肝細胞的培養。
5.2絲素/聚合體接枝物
為評估材料的親水性，Gotoh等分別測定了聚乙二醇/絲素接枝物（PEG-SF）和絲素（SF）的水分含量和接觸角。結果發現，PEG-SF含水率達380%，而SF只有32%。這也說明了親水性PEG連結枝到絲素鏈上後，增加了水分含量，從而提高了絲素材料的親水性。
