蚕丝，登上Nature系列综述！

蚕丝化学与生物医学材料设计

在过去的二十年里，对基于丝和丝素蛋白的生物材料和技术的研究兴趣呈指数级增长，丝素蛋白在组织工程、再生医学、药物输送和医疗器械等不同医学领域都有广泛的应用。丝素化学和生物材料设计的进展为生成新的丝基材料和技术提供了令人兴奋的工具。选择性的化学成分可以增强或调整丝的特性，如力学、生物降解性、可加工性和生物相互作用，以解决医学相关材料（水凝胶、薄膜、海绵和纤维）的挑战。

Nature Reviews Chemistry期刊本期重磅推出了：蚕丝化学与生物医学材料设计。综述分为四个部分：(i)蚕丝加工化学和不同改性技术（溶液和非均质模式）及其机制的进展概述；(ii)用于设计蚕丝和蚕丝基复合生物材料的不同交联策略，以及相关的化学；(iii)化学在丝绸的不同生物医学应用中的作用，例如药物输送、组织工程、粘合剂、细胞涂层、3D打印和微流体；(iv)讨论如何更好地利用化学的观点开启用于生物医学工程的丝基生物材料的开发，包括植入式生物传感器和复杂的组织模拟物以喷涂生物材料。

Figure 1. 概述图

【丝素蛋白介绍】

蚕丝主要由两种主要的蛋白质组成：丝素蛋白（约70-75wt%）和丝胶蛋白（约25-30wt%）。虽然蚕丝提供机械强度，并且是半结晶的，但丝胶主要是无定形的，作为一种胶质包裹着丝蛋白，以保持蚕茧的结构完整性。蚕丝的高机械强度可归因于其化学成分、结构层次和有利于反平行β-片状晶体形成的疏水域（图1a）。

蚕丝由一条重链（~ 390kDa）和一条轻链（~26kDa）组成，它们以 1:1 的比例存在，并在重链的 C 末端通过一个二硫键连接在一起。蚕丝是一种大型蛋白质，重链中有超过 5000 个氨基酸，具有大量化学惰性单体 (~79.4mol%)，用于丝的化学修饰，轻链由 262 个氨基酸组成（图 1b）。

图 1. 丝素蛋白的层次结构、氨基酸组成和加工条件

【丝素蛋白的加工和化学修饰】

本节详细介绍了蚕丝的不同加工方法、蚕丝蛋白的化学修饰及其反应机理。讨论了每种修饰方法的局限性和优点。此外，还重点介绍了它们的纯化和分析技术。

加工方法——蚕丝从天然纤维再生为水溶液通常分两步进行：(1)将蚕茧脱胶以将丝胶与蚕丝分离，以及(2)溶解剩余的蚕丝垫以获得随后透析以去除盐分的溶液（图1c）。加工方法会通过影响链的流动性、分子量和β-折叠含量来决定最终的材料特性。

化学改性——一般来说，蚕丝的化学修饰可以分为对蚕丝包含的氨基酸进行的化学反应。

（1）羟基改性：羧化化学或者羟基琥珀酰化（丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸）；重氮偶联、氰尿酸偶联（酪氨酸，赖氨酸）；硫酸化（丝氨酸、酪氨酸、赖氨酸、精氨酸）（图2a）。

（2）羧酸和伯胺基团：碳二亚胺偶联（天冬氨酸、谷氨酸和赖氨酸）（图2b，c）。

点击化学——通常用“可点击块”预先定制丝链以促进进一步修饰，例如铜催化的叠氮化物-炔烃环加成或者硫醇-烯点击化学。

纯化和分析——蚕丝的不同修饰方法会导致不同的副反应形成副产物，因此在进一步分析、处理或后续功能化之前需要进行纯化。例如渗析操作。

图 2. 使蚕丝功能化的不同化学修饰方法

【形成水凝胶的交联方法】

侧链本质上可用或化学引入到蚕丝重链上，用于添加功能或形成水凝胶、具有高保水能力的3D网络、对氧气和营养物质的渗透性，并提供可调粘弹性以匹配生物组织。蚕丝水凝胶作为具有可调机械性能的生物相容性和可生物降解的生物材料很有吸引力。这些生物学上重要的特性可以根据需要进行化学控制或调整，以实现不同的生物医学结果。结合不同的交联方法或调整链缠结的程度会影响最终的水凝胶性能，例如力学、扩散率和降解寿命。丝基水凝胶基质可以通过不同的交联方法制备，如本节所讨论的（图3）；然而，化学反应，如点击化学、生物共轭、生物催化、光化学和分子识别也可用于制造水凝胶。

物理交联——丝重链可以通过氢键、疏水相互作用和静电力进行物理交联或缠结形成水凝胶网络。物理相关的丝水凝胶可以用诸如温度、pH、声音、涡流、电场、剪切力、渗透压或表面活性剂等刺激物以及其他选项来制备（图3a）。

二酪氨酸交联——二酪氨酸键是一些天然生物聚合物材料中的关键成分，也是生物材料设计中有用的交联基序。二酪氨酸键形成的分子机制涉及自由基化学，其中从酪氨酸的-OH基团中去除氢原子有助于形成酪氨酰自由基，该自由基与另一个酪氨酰自由基（链内或链间）相互作用形成二酪氨酸（图3b)。

点击化学——不同的点击化学反应已被用于交联丝以生成复合水凝胶（图 3c）。例如：自由基介导的硫醇-烯光点击反应和席夫碱反应。

超分子交联——超分子方法使用非共价相互作用，如主客体识别、多价氢键和金属配位化学来调节水凝胶的形成（图3d）。

图 3. 丝凝胶化和不同的交联方法

【丝绸化学在不同生物医学应用中的作用】

本节详细介绍了不同的生物医学应用，例如组织工程、组织粘合剂、药物输送、3D打印、微流体、细胞涂层和生物传感器，这些应用是通过化学改性丝或通过不同方法交联的丝实现的。此外，还讨论了基于蚕丝的不同复合生物材料的应用。强调了化学在这些应用中的作用（优点和局限性）。

生物材料与组织工程——基于丝的生物材料支架的化学修饰已用于体内植入物以及2D和3D哺乳动物细胞培养，用于人造组织和器官的离体工程。实现这一目标的最常见策略是用感兴趣的功能肽修饰丝支架的表面，以提高生物活性。除了这些异质修饰外，溶液中的丝还被合适的基团功能化，用于制造具有均匀生物或化学功能的生物材料，例如用于植入式钛基底表面涂层的细胞粘附肽和丝基薄膜的制造或提高生物活性的水凝胶。

组织粘合剂和密封剂——生物相容性粘合剂可用于伤口闭合、改善组织层的整合以及将传感器和电子设备连接到组织表面。化学在通过非共价相互作用（包括丝氨酸和酪氨酸残基形成的氢键）调节蚕丝的粘附特性方面具有重要作用。例如通过钙诱导的金属螯合的配位化学也被用于形成由脱胶丝纤维组成的表皮粘合剂，以将电子设备粘附在皮肤上（图4A）。

3D打印——3D 打印是制造植入式设备、支架或复杂结构的重要工具，这些设备具有组织特定的几何形状和材料特性控制需求。可打印性由生物墨水的交联模式控制。由于加工、修饰和交联化学的多样性，蚕丝是一种很有前途的生物墨水，可提供稳定和生物相容的支架。其中一种策略是将浓缩蚕丝挤出到由甲醇、PEG或盐溶液组成的凝固浴中，实现自由形态的水凝胶打印（图4B）。

给药——药物从运载工具释放的空间和时间控制对于有效的药物影响和最小的副作用至关重要。除了几何形状，载体化学影响药物输送；通过安装选择性化学域来调节表面电荷可以控制结合或释放动力学、缀合或掺杂不同的相关分子（光敏剂和化学治疗剂）以在靶向递送位点释放。蚕丝-聚氨基酸也被用来通过在牺牲的二氧化硅核心159,160上的逐层沉积和碳二亚胺交联来制造空心微胶囊（图4C）。

细胞涂层——天然蚕丝可用于在微酸性(pH5.5)条件下，在钾离子存在的情况下，通过自组装进行物理交联和稳定，从而对治疗性细菌进行纳米涂层，从而在口服给药期间为胃环境提供保护。通过选择性化学和适当选择配体（乙二胺而不是PLL）合成了具有较低正电荷密度的替代丝设计，以促进在成纤维细胞或人类干细胞上的多层沉积和涂层而没有明显的毒性（图4D）。

微流体——丝基微流控设备被提出来作为聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材料的替代品，因为它们具有生物相容性和生物可降解性的特点，提供体外到体内的转化。不同的改性和交联化学制品已被用于制造微流控设备。除了薄膜，HRP催化的丝水凝胶基质还用于制造U形气动控制微流体装置和宽度为400–1200µm的直二元通道，用于细胞灌注研究（图4E）。

生物传感器——蚕丝是一种有用的生物传感器材料，因为它与许多光物理、电化学和生化传感机制兼容，同时赋予传感平台生物相容性和可降解性，其性能可与其他生物材料相媲美。利用蚕丝的两亲性弥合水性生理环境与水不溶性氧敏感卟啉之间的差距，将由蚕丝Pd(II)四甲基丙烯酸化苯并卟啉复合物（蚕丝-PdBMAP）制成的蚕丝-生色团复合膜植入皮下以感知实时溶解氧水平（图4F）。

图 4. 化学在丝绸材料和设备中对生物应用的作用

【结论和未来展望】

基于蚕丝的生物材料和设备已经对医疗保健和生物医学技术产生了影响。大部分成功可以归因于固有的材料特性、所有水处理、引人注目的本机功能、宿主兼容性、可降解性和适应性、更广泛的化学范围。尽管蚕丝化学取得了长足进步，但改性方法、材料加工和设计策略的新进展不断涌现，可以调整或增强生物材料的特性，继续支持以蚕丝为基础的新型医学相关生物材料的出现。随着化学开发和设计选项的增加，该领域继续发展，作者预计蚕丝生物材料将在未来实现生物医学科学领域的许多目标（图5）。

图 5. 不同化学和生物医学应用的图示

随着可逆化学和非共价方法的发展，允许动态调制网络形成和反向以及生化成分，基于丝的动态水凝胶支架的研究正在增长。这种纳米尺度的动态操作可以促进基质粘弹性的时空控制，以更好地重现自然组织。

基于丝的可喷涂生物材料是另一个可以利用不同化学方法进行改进的领域。可以优化不同的工艺参数、化学品或反应介质，以开发货架稳定、便携、多功能、易于使用的丝喷涂系统。

其次，随着修饰策略和分析技术的不断进步，可以控制丝链上化学特征的密度和位置。这可能使合适的生物分子的结合成为天然组织的合成类似物。此外，合成或掺杂化学的发展可以让人们结合不同的生物活性或生物传感成分，并优化不同的配方以感知生理特征。

随着合成生物学、遗传和蛋白质工程的显着进步，可以构建基因来编码天然丝蛋白的特定化学变体、丝与其他结构域的杂交体（丝-弹性蛋白共聚物）或基于丝的不同蛋白质聚合物的化学文库筛选。因此，丝蛋白聚合物的变体可以设计为具有不同的动态、响应和功能特征，以进一步扩展天然丝已经确定的令人印象深刻的特性和化学修饰选项范围。

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来源：高分子科学前沿

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