新兴丝素蛋白材料及其应用：蚕丝交联创新带来的新功能
摘要
丝素蛋白材料应用于生物医学、食品和高科技行业，在很大程度上得益于将蚕丝加工成再生丝素蛋白溶液的能力，该溶液可以被工程化为多种材料形式，并通过重新引入非共价的天然β-折叠蛋白结构维持稳定。蚕丝材料创新则通过共价交联和塑化实现丝素蛋白的稳定。这些方法将蚕丝变成了一种不仅坚固，而且具有弹性和柔韧性的材料，极大地拓宽了蚕丝材料的制造策略，包括光刻、数字光处理和3D打印。因此，蚕丝现在可以用于一系列应用，包括眼部假体、生物粘合剂、组织工程基质、绿色可生物降解的LED和电池、皮肤和植入式传感器以及生物塑料。在这篇综述中，我们讨论了蚕丝材料中交联的演变，重点是基于酪氨酸和甲基丙烯酸酯的共价交联，以及使用甘油和钙离子塑化蚕丝所带来的结构变化。
研究内容
通过共价交联和塑化方法稳定蚕丝材料，补充了传统的基于物理β-sheet的交联，使蚕丝材料取得了重大进展。这些方法( 1 )产生了具有独特物理和生物特性的新型蚕丝材料；( 2 )扩展了蚕丝的可加工性，特别是使用了更多的现代制造方法，如光刻和增材制造；( 3 )扩展了蚕丝的应用领域；( 4 )为基本了解蚕丝纤维的进化和结构-功能关系提供了信息；( 5 )解决了基于β-sheet的蚕丝材料的一些局限性。
图1 家蚕蚕丝的逆向工程（a）蚕丝纤维结构（b）丝素蛋白溶液衍生材料
一、丝素蛋白交联方式
（1）β-sheet
物理交联是一种大量促进蚕丝凝胶化的机制，可以在没有对丝素蛋白聚合物链进行化学修饰或使用化学交联剂的情况下进行。然而，虽然物理交联的水凝胶在许多应用中发现了实用性，但其不透明性、脆性以及降解缓慢限制了细胞重塑其微环境的能力。
（2）双酪氨酸交联
①酶介导的双酪氨酸交联
交联机理是在H2O2存在下产生强氧化性物质，将蚕丝聚合物链上的酪氨酸残基氧化为酪氨酸自由基，然后两个酪氨酸自由基耦合形成共价双酪氨酸键。一项研究表明，与物理交联的对应物不同，HRP/H2O2交联的水凝胶是透明的和高弹性的，具有高抗疲劳性(在70 %以上的压缩应变下具有最小的滞后)，已被广泛用于开发各种蚕丝基材料，包括用于细胞生长的基质、微流体装置、电子器件中绿色发光二极管( LED )的透镜以及用于药物传递和传感应用的刺激响应材料。
研究证实HRP/H2O2水凝胶微流控平台在组织工程、再生医学和药物开发应用中比传统的基于聚二甲基硅氧烷( PDMS )的微流控具有独特的优势。与传统的PDMS不同，丝素水凝胶微流控器件在温和的水相条件下可生物降解和加工，支持细胞的掺入而生物分子不仅存在于微流控通道中，也存在于块体材料中。
图2 双酪氨酸交联蚕丝生物材料的性能
图3 双酪氨酸交联蚕丝的新应用
②Fenton反应介导双酪氨酸交联
通过芬顿反应制备的丝素水凝胶在2019年首次被报道，目的是避免二酪氨酸交联的水凝胶在生物医学应用时对HRP的潜在免疫反应。最近，通过引入吸附Fe (Ⅲ)的壳聚糖颗粒，实现了对Fe (Ⅲ)与蚕丝相互作用的控制，从而控制了β-sheet和二酪氨酸键的形成。使用该方法并加入EDTA，增加了DOPA的形成，探索水凝胶在组织粘附中的潜在应用。
③光引发的双酪氨酸交联
利用光介导的氧化还原反应也可以促进双酪氨酸交联，应用于心脏补片、真皮填充物和组织粘合剂。光交联使蚕丝快速凝胶化(<1 min )，形成光学透明的凝胶，支持以极高密度(相对于HRP/H2O2交联水凝胶中的最大值250万/ mL , 1500万/m L)包裹细胞并形成软骨组织。
核黄素(俗称维生素)是另一种在蚕丝共价交联的光引发剂，一种天然存在于我们体内的分子，被证明具有细胞相容性，因此被认为非常适用于生物医学应用。核黄素交联的蚕丝正在被研究用于组织工程，作为止血材料、眼睛修复和微针的开发。
（3）结合双酪氨酸和β-sheet交联
为了进一步调节蚕丝水凝胶的性能，一些研究将双酪氨酸交联和β-折叠相结合，以改善蚕丝材料的机械性能和降解性能。此蚕丝材料已被提出用于一系列应用，包括耳鼓替代、组织工程、CO2封存，以及制造新一代分层定义的仿生材料。
（4）甲基丙烯酸酯改性的光交联
甲基丙烯酸酯改性的蚕丝用于开发葡萄糖传感器和"蚕丝折纸"等柔性生物电子器件。例如，使用PEDOT：PSS和甲基丙烯酸化丝胶的复合墨水作为光刻胶，在甲基丙烯酸化丝素蛋白的基底上共价连接形成精确的微尺度特征，从而创建柔性、自支撑和导电的器件。
研究证明GMA改性的蚕丝是一种有前途的组织密封剂，在皮肤、肝脏和血管损伤动物模型中，当使用紫外光原位交联时，LAP存在下的改性蚕丝具有优异的止血性能和组织粘附性，可以促进大鼠模型中部分厚度伤口的愈合。
图4 甲基丙烯酸酯改性蚕丝的新兴制造方法和多行业应用
二、蚕丝塑化
蚕丝塑化通过控制水或添加甘油、钙离子或低分子量蚕丝实现。甘油和钙离子提高了蚕丝材料的柔韧性、保湿性和自修复性能，为蚕丝在多样化应用中的使用创造了新的机会，已被广泛用于开发柔性、可拉伸和自修复的蚕丝材料，以应用于生物塑料、传感器、可穿戴电极和绿色电池等领域。
图5 增塑蚕丝柔性材料制备方法及其在生物塑料( A、D)和生物电子器件和传感器( B、C、E - H)中的应用
（1）蚕丝的甘油塑化
将甘油增塑的电纺蚕丝材料与PEDOT：PSS界面结合，开发了皮肤上的电生理传感器。这些电极具有高度的可拉伸性( > 250% )，表现出优异的抗蒸发性和水蒸气透过性，提供了优异的心电信号质量，同时允许汗液蒸发过程中的热量散失。甘油也被证明可以改善PVA-co-PE短纳米纤维在蚕丝膜中的分散性，显示出开发下一代纳米复合材料的潜力。
（2）蚕丝的钙离子塑化
钙离子在蚕丝纤维纺丝、丝素蛋白溶解、蚕丝交联和蚕丝材料工程中发挥着重要而复杂的作用。研究表明，氯化钙/甲酸溶剂被证明可以将脱胶蚕丝纤维转化为纳米纤维，而不是单个丝素蛋白分子，保留了在原生纤维中发现的一定程度的分级结构。
钙离子增塑蚕丝材料已发展成为电子器件、生物可降解瞬态电池、光学应变片、压电式力传感器等领域的合成塑料替代品，以及一系列应用在健康监测方面的可穿戴电极。软、柔性电极在一系列工业和应用中迅速成为关键，包括皮肤和植入式电子、脑机接口、可穿戴设备和传感器、太阳能电池和软机器人技术。
图6 由新兴制备方法和交联方式所促成的蚕丝材料及其应用
总结
蚕丝是来自大自然的可持续聚合物，不仅为未来许多物质需求提供了一个有用的选择，而且也是可持续聚合物技术的一个模型系统。本文综述的交联和塑化技术为进一步研究化学结构与降解动力学之间的基础和应用关系提供了新的机会。因此，对蚕丝的改性与材料稳定性、降解寿命和降解产物之间的关系需要进一步探究，与蚕丝基材料的功能使用寿命和长期可持续性目标相关联。这种基于蚕丝探索的研究可以为未来聚合物科学和工程的许多领域提供蓝图。
通讯作者简介
Rnjak-Kovacina, J，新南威尔士大学副教授，专研生物医学工程领域，在心血管研究方面具有卓越成就，特别是心脏贴片的生物工程，用于治疗心脏病发作后受损的心肌。邮箱为j.rnjak-kovacina@unsw.edu.au。
文章信息
Hien A. Tran, Trung Thien Hoang, Anton Maraldo, Thanh Nho Do, David L. Kaplan, Khoon S. Lim, Jelena Rnjak-Kovacina,
Emerging silk fibroin materials and their applications: New functionality arising from innovations in silk crosslinking,Materials Today, 2023.
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