丝素

基本信息

中文名称

：丝素蛋白凝胶

别称

：丝素蛋白凝胶、丝蛋白凝胶、丝蛋白水凝胶、即配型丝素蛋白凝胶、即配型丝素蛋白水凝胶

英文名称

：Silk?Fibroin?Gel

原料

：脱胶蚕丝

形态

：半固态凝胶

应用

：细胞培养、组织再生、缓释载体、医疗器械

简介

丝素蛋白溶液是制备丝素蛋白生物材料的基本材料，通过添加改性剂或者改变技术工艺，溶液会被制备成各种不同形式的丝素蛋白材料，如膜、纤维、微球、水凝胶等等。但丝素溶液作为一种天然蛋白质溶胶?,在一定条件下会发生凝胶化，这是由于在水溶液中，丝素蛋白主要以无规则线团形式存在，而无规则线团结构并非热力学上的稳定结构，因此在一定的外界条件下（如温度变化），无规则结构会自行向稳定的β—折叠结构转变，即便在低温冷藏环境下，溶液中的丝素蛋白也会出现同样的情况，最终转变成凝胶态。

分子结构

当丝素蛋白形成稳定的凝胶态后，分子结构主要为β—折叠构象，在凝胶表现为高强度的晶体结构。纯丝素凝胶外观色白，透明度低，轻捏呈碎粒状，用位相差显微镜可以观察到凝胶截面呈不规整颗粒聚集形态,?这些颗粒由更小的不规则圆形微粒聚集而成。

变化过程研究表明，当丝素溶液发生胶凝化作用时?,除了氨基酸残基间形成氢键等结合力外?,以?Gly、Ala、Ser、Try等氨基酸残基为主，形成了分子整列度高、更为有序的微结晶?,这种结构使丝素凝胶处于更稳定的状态。在丝素溶液即将形成凝胶时，其溶液趋向于不透明的白色，这是由于丝素凝胶非均质的微观结构在可见光范围内引起了光的散射。凝胶化的早期阶段首先出现小的沉淀物(小于10μm)?,?随后这些沉淀物的尺寸不断增加，从而导致吸光度的增加。在随后的凝胶化阶段,?大量的聚集物(?10?-100μ?m)?变得不动或者变成部分凝胶状态?当最终完全凝胶化时，光密度就稳定于某一数值。制备方法丝素蛋白溶液的凝胶化过程有多种影响因素，当前的制备工艺主要分为化学方法和物理方法。

化学方法PH值改变

丝素蛋白的等电点(pI)在4左右，因而调节丝素蛋白溶液的pH值至4左右可以中和丝素蛋白分子携带的电荷，促进分子间疏水基团的相互作用，进而诱导分子结构的改变及分子间的物理交联，最终形成网络状的凝胶结构。这个过程通常较慢，在室温或?37℃下达到稳定状态的凝胶至少需要一天的时间，且很难精确控制成胶时间。盐析由于丝素蛋白结构的特性，如果向丝素蛋白溶液中添加氯化钠和硫酸铵等无机盐，丝素蛋白会快速变性凝聚，形成不稳定的黏稠态的液体，再经过一段时间的孵育形成稳定的半固态凝胶。有机溶剂

混合

有专利指出，将一定浓度的丝素蛋白水溶液与聚乙二醇或丙二醇溶液进行充分混合，得到的共混液可凝固形成丝素蛋白凝胶。

物理方法

超声震荡

法

将超声细胞破碎器的探头置于丝素蛋白溶液中，经几秒种的短时间超声波处理，丝素蛋白在溶液中开始变性形成凝胶。成胶的时间可以通过控制超声强度和超声时间来控制。

旋涡混合法

旋涡混合法制备丝素蛋白凝胶的原理与超声震荡法相似，都是利用摩擦剪切力诱导丝素蛋白分子变性交联，但由于旋涡混合所产生的摩擦剪切力远远低于超声震荡，因而诱导丝素蛋白形成凝胶的时间也要长很多（通常几个小时以上）。

电泳法

当将丝素蛋白溶液置于外加电场中时，由于丝蛋白分子表面带有负电荷，在电场中会向正极移动，逐渐聚集在金属电极附近，分子间相互作用，形成黏稠状的胶体团块。应用丝素蛋白凝胶是蛋白材料的一种重要形态，除具有柔软性、可塑性之外?,对于气体、低分子物质或者一些高分子物质还具有透过性，是制备人工皮肤、隐形眼镜、药物缓释载体、酶固定化载体、细胞培养支架等生物及医用材料的较好选择。

缓释载体

丝素蛋白凝胶可作为一种理想的药物缓释载体进行研究，丝素蛋白具有组织修复以及药物递送载体所需要的一切特性，包括生物可降解性、生物相容性、稳定药物包埋、以及水溶性。改变丝蛋白浓度，丝素蛋白凝胶在体内的降解时间为几周到几个月，因而对大多数的组织修复（如肌肉、皮肤、脂肪）及药物缓释更有应用价值。

组织再生

在吸水的情况下，丝素材料的多孔网状结构能够适应细胞的附着、铺展、分化和增殖，对器官的修复与重建极为有利。因此，丝素蛋白有望成为有发展潜力的新型组织工程三维支撑体材料，用于制造真正意义上的永久性人工器官。

固定化酶载体

酶的固定化是指通过物理或化学的方法将酶固定在某种载体上，使其成为仍具有催化活性的酶或酶衍生物的过程，从而大大提高酶的使用效率。丝素蛋白凝胶具有独特的分子结构、优异的机械性能、良好的物质通透性，很容易包裹生物酶，是一种优良的固定化酶载体。并且，丝素蛋白固定化酶方法中无需使用任何交联剂，还可以用低毒有机溶剂或加热等方式处理达到调节释放速度的目的。

医疗器械

丝素蛋白凝胶可以作为一种植入型生物高分子材料医疗器械，由于其在体内具有优异的生物安全性，同时降解时间会根据凝胶配置的条件变化稳定可控，所以在譬如防粘连、止血，（皮肤、肌肉、脂肪等）软组织填充修复等方面有一定的研究价值。

细胞培养

丝素蛋白凝胶可以作为细胞培养基质，为干细胞3D培养、增值和分化提供微环境。利用该系统已实现人间充质干细胞长时间培养、在适当的分化培养基中培养可以实现选择性成骨分化和成脂肪分化。丝素凝胶可以用来研究材料物理化学性质与干细胞命运关系，拓展材料在特定组织再生中的应用。

3D（生物）打印“墨水”

丝素蛋白凝胶本身可以作为3D细胞培养机制，但不具备可注射性。丝素蛋白与其他温变材料混合后，即可通过喷嘴，打印完的结构再进行交联。