贻贝启发的丝素蛋白基黏合材料的研究进展.pdf

纺织报告|FANGZHI BAOGAO13贻贝启发的丝素蛋白基黏合材料的研究进展周 凯，廖文怡，王 卉（苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州215021）摘要黏合材料因其较强的界面黏附力与内在黏合在各领域得到了 广泛应用，其中，丝素蛋白因具有优异的生物相容性、易被修饰性，成为一种良好的黏附基体材料。自然界中的贻贝依靠其足丝蛋白中的邻苯二酚基团实现在各种表面的牢固黏附，受邻苯二酚基团黏附化学启发，以丝素蛋白为基材开发黏附材料受到了 广泛关注。关键词贻贝；丝素蛋白；邻苯二酚；黏附性中图分类号：TS15文献标志码：AResearch progress on silk fibroin based adhesive material inspired by musselsZhouKai,LiaoWenyi,WangHui（CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215021,China）Abstract Adhesive materials have been widely used in various fields due to their strong interfacial adhesion and intrinsic adhesion.Among them,silk fibroin has become a good adhesive matrix material due to its excellent biocompatibility and easy modification.Mussels in nature rely on the catechol group in their foot protein to achieve firm adhesion on various surfaces.Inspired by the catechol group adhesive chemistry,the development of adhesive materials based on silk fibroin has attracted extensive attention.Key words mussel;silk fibroin;catechol;adhesion材料的黏附性又称黏合性或黏着性，是指两个或两个以上物体接触时相互结合的力。黏合材料因其较强的界面黏附力与内在黏合不仅被广泛应用于传统的建筑业、农业、汽车制造业和纺织服装领域，而且在近年来快速发展的生物医学领域也备受关注。例如，相比传统的订书钉、缝合线常常会引发严重的组织损伤与炎症反应，生物黏合材料以伤口敷料形式被应用时可在实现伤口有效闭合的同时减少二次损伤，在设计可穿戴和可植入的生物电子设备应用于个性化医疗保健领域时，生物黏合材料能保证与皮肤组织的有效贴合，实现高效传感。然而，在保证良好生物相容性的前提下，实现对柔软和潮湿的生物组织的充分和长期自黏附一直是一个艰巨的挑战。传统的化学黏合材料（如氰基丙烯酸酯类）具有粘合速度快、强度大等优点，但在使用过程中存在与软组织力学性能不匹配、潜在毒性等问题；而生物黏合材料虽然具有优异的生物相容性，但其原料昂贵、储存不易且机械强度不高，在一定程度上限制了其应用。丝素蛋白（Silk Fibroin，SF）是蚕丝的主要构成部分，占蚕丝总体质量的70%左右。作为一种天然的蛋白质高分子材料，SF具有优异的生物相容性、可控的降解性、丰富的来源以及简易的加工性等特点，在生物医学领域受到了研究者的广泛关注。SF分子链上的羧基使其具备优异的可修饰性，经过修饰后的丝素蛋白也常常被赋予新的功能。SF可通过各种方法制备成水凝胶形态，但是传统制备工艺复杂，并且在固态界面和湿态生物环境中黏附力不足。因此，研究者致力于研究各种方法以加快SF凝胶化过程并增强SF水凝胶的黏附性，期望基于SF优异的生物特性开发具有良好组织黏附性能的黏合材料，以实现其在生物医学、生物电子学等领域的应用。本研究主要总结了基于SF开发的黏合材料的研究进展，首先简要概述了天然贻贝的基本黏附机制和受贻贝启发的化学反应；其次对目前受贻贝启发的SF基黏合材料的设计策略进行了分类介绍，主要包括二羟苯丙氨酸（Dihydroxyphenyl Alanine，DOPA）接枝法、多酚物质交联法以及功能化改性；最后讨论了黏合失效等问题，并对今后该领域的发展方向进行了展望。1 贻贝黏附机制近年来，贻贝在海洋中与各种底物形成牢固黏附的投稿日期：2023-05-20作者简介：周凯（1997），男，江苏泰兴人，硕士研究生；研究方向：生物材料。通信作者：王卉（1980），女，江苏苏州人，副教授，硕士生导师，博士；研究方向：生物材料。Technology科技FANGZHI BAOGAO14纺织报告|FANGZHI BAOGAO现象，给设计与开发黏附材料带来了极大的启发，许多科研人员对其在湿态下能形成牢固黏附的原因进行了探索。贻贝是一种生活在海滨岩石上的双壳类软体动物，贝足由基于蛋白质的纤维组成，依靠足丝蛋白（Mussel Foot Proteins，Mfp）牢牢附在各种表面上。贻贝足丝中主要的黏附蛋白为Mfp-1Mfp-6共6种，其中，Mfp-1分布在外层，是保护足丝表层的关键蛋白。这些黏附蛋白可以提供牢固的湿态环境黏附能力，主要原因是蛋白中的3,4-二羟基苯丙氨酸包含丰富的邻苯二酚基团。在贻贝黏附过程中，贻贝黏附蛋白通过邻苯二酚与固体表面的金属离子形成配位键，进而粘附在基底表面。在碱性（pH=8）海水环境下，DOPA中的酚羟基很容易在海水中溶解氧的作用下被溶解氧化成多巴醌，使黏附蛋白交联发生固化，虽然会提高黏附剂的内聚力，但是会降低黏附强度。然而，含有半胱氨酸硫醇的Mfp-6是一种抗氧化蛋白，具有还原性，可以将黏附蛋白中的多巴醌还原为DOPA，通过动态氧化还原反应有效调控黏附力和内聚力之间的平衡，保证贻贝能实现动态和持久的湿态黏合1。1981年，贻贝足斑中DOPA所含邻苯二酚基团对水下黏附的重要作用被首次报道。DOPA的邻苯二酚基团化学性质活泼，可以与多种物质发生化学反应。邻苯二酚的羟基可以与亲水表面形成氢键，并与金属氧化物表面形成静电相互作用。研究表明，邻苯二酚与表面形成的双齿氢键的寿命为单齿氢键的106倍，并且由于双齿氢键相互作用比水与表面的氢键相互作用更强、更稳定，邻苯二酚基团可以从表面置换水分子。邻苯二酚的苯环形成-堆叠，与疏水表面形成疏水相互作用，与带正电表面形成阳离子-相互作用。此外，当邻苯二酚被氧化成醌时，与金属氧化物表面形成强配位络合物。邻苯二酚还可以通过Michael加成反应与含有亲核试剂（例如胺和硫醇）的表面结合，甚至可以与金等惰性金属紧密结合2。2 贻贝启发的丝素蛋白基黏合材料设计策略邻苯二酚基团在贻贝超强水下湿性黏附能力方面所起的关键作用启发着研究者开发具有优异黏附性能的新型仿生黏合材料。然而，传统SF水凝胶在固态界面和湿态生物环境中的黏附力不足。近年来，研究者基于SF优异生物特性开发黏合材料，以期获得兼具优良生物性能和湿态黏附性能的生物黏合材料，进而满足不同的生物医学要求。目前，受贻贝启发的设计策略主要有3种途径增强SF水凝胶的黏附性：（1）通过化学改性，使丝素蛋白分子链上接枝DOPA基团，进而实现黏附性；（2）通过共混的方式将多酚类物质与丝素蛋白交联，进而获得黏附性；（3）基于多酚物质交联法进行功能性改性，以实现在不同领域的应用。2.1 DOPA接枝法DOPA接枝法主要是通过将邻苯二酚基团接枝到丝素蛋白分子链，进而赋予其黏附性能。这些基团具有较显著的极性特征，有助于形成非共价与共价相互作用。目前，接枝DOPA的主要方法是使用交联剂或者酶诱导，但这些工艺复杂，且使用的交联剂存在潜在毒性，因此，会在设计与使用中受到限制。如刘涵等3以1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）为交联剂，在SF上接枝DOPA，而后采用京尼平对其进行共价交联，获得了兼具良好生物相容性及较大黏合强度的SF/DOPA生物医用黏合剂。2.2 多酚物质交联法制备贻贝启发的SF基黏附性材料的另一种方法通常是将单宁酸（Tannic Acid，TA）、茶多酚等含有大量多酚类物质的聚合物与SF进行共混交联，其中，TA是使用最广泛的一类多酚物质。TA由许多邻苯三酚和邻苯二酚等富含羟基的部分组成的树状网络结构的分子，也是如今最具反应性的小分子之一。作为多酚，TA表现出与蛋白质非共价结合的特殊倾向，这一过程被视为分子识别过程，但有时也被视为交联过程。Bai等4模仿贻贝足蛋白的化学组成和分级纳米结构，通过将TA与SF复合开发了一种具有优异湿黏附性和即时止血性的SF基密封剂（命名为SFT）。TA中丰富的酚类部分诱导了SF从无规卷曲到-折叠的构象转变和纳米纤维结构的分级组装，赋予了SFT高固有韧性。酚类部分对组织生物分子中的亲核试剂具有很强的结合亲和力，即使存在血液和强大的组织运动（例如出血的心脏），也能赋予SFT对湿组织的坚韧黏附力（强度约为134.1 kPa），并表现出即时止血能力。2.3 基于多酚物质交联法的功能化改性除了自黏附性以外，受贻贝启发的化学方法还提供了一种独特的途径，可以通过引入多糖类物质、无机纳米颗粒、碳基材料、离子基与导电聚合物等功能性材料，将电导性、韧性、自愈合、抗菌性能及对极端环境的耐受性等多种功能特性集成到SF基黏附水凝胶中，拓展其在医用黏合剂、止血剂、密封剂、伤口敷料、心脏补片、可穿戴和植入式生物电子器件等方面的应用。2.3.1 多糖类多糖是单糖分子通过O-糖苷键连接在一起形成的大分子，常见的多糖有壳聚糖（Chitosan，CS）、葡萄糖、透明质酸和纤维素。其中，CS是由甲壳素通过脱乙酰作用得到的，同时具有优良的生物相容性与优异的止血、抗菌功能，已经作为止血敷料被广泛应用于临床。Qiao等5通过使用TA交联CS和SF，将其结合在一起，以保持水凝胶的结构稳定性，构建了一种超分子相互作用交联水凝胶作为止血密封剂。与其他报道的材料相比，周 凯，等：贻贝启发的丝素蛋白基黏合材料的研究进展纺织报告|FANGZHI BAOGAO15所获得的CS/TA/SF水凝胶在各种动脉和内脏出血模型中实现了较低的失血量和较短的止血时间。2.3.2 无机纳米颗粒高模量的无机纳米颗粒因其高比表面积和丰富的表面活性官能团可以与基体材料中的表面基团有效结合。Bai等6将TA作为酚醛胶分子，与SF和纳米羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）自发共组装，制备出无机-有机杂化水凝胶。SF和TA之间的强亲和力以及TA和HA之间的牺牲配位键的结合通过增加纳米级的能量耗散量显著提高了水凝胶的韧性和黏附强度，使水凝胶可以在潮湿的生物环境中对骨折部位进行充分和稳定的固定，并促进骨组织的修复。2.3.3 碳基材料与导电聚合物近年来，可穿戴和植入式生物电子器件因其在个性化医疗保健领域巨大的应用前景而备受关注，在柔软和潮湿的生物组织上实现充分和长期的自黏附一直是一个艰巨的挑战，而受贻贝启发的SF基黏附水凝胶可以通过添加导电物质赋予其电导性功能特性，成为设计自黏生物电子器件很有前途的候选材料。SF基导电黏附水凝胶的设计通常在SF/TA的基础上添加碳基的导电材料实现导电性，比如氧化石墨烯（GO），是制备导电丝素蛋白基水凝胶的首选材料。Kadumudi等7通过将SF、TA和还原的氧化石墨烯混合开发了一种多功能复合材料，并利用酚醛胶促进牺牲和分级氢键。这种分级黏合方案制备出的水凝胶具有较高的机械韧性以及约25 000%的伸长率，同时将电导率提高了10倍。除碳基材料以外，导电聚合物也是一类实现导电性的重要材料。Zheng等8利用导电聚合物聚吡咯与SF和TA通过原位聚合引入同一凝胶网络中成功构建了导电水凝胶。该水凝胶具有拉伸性、皮肤顺应性、抗菌性和生物相容性。在空中或水下，水凝胶可以在没有外部刺激的情况下执行机械性能、电气性能和传感性能的自修复。3 结语受贻贝启发的SF基黏附材料为设计具有良好生物相容性的新型黏附水凝胶提供了新的思路和策略。基于DOPA中邻苯二酚功能基团的螯合能力、还原能力以及氧化后与有机基团（氨基/巯基）的反应能力，研究人员通过对SF进行DOPA接枝、多酚物质共混以及功能材料改性等方式，制备出一系列多功能SF基黏附材料，有望作为止血剂、组织黏合剂、伤口敷料、表皮传感器等应用于生物医学和个人医疗保健领域。然而，开发多功能SF基黏附水凝胶的过程中还存在一些问题尚待解决，例如面对不同的应用环境，在长时间使用后出现的氧化会导致黏附性失效，黏附材料的黏附性与韧性的平衡难以统一，黏附材料的使用在复杂环境下的长期稳定性较差，此外，还有材料成本、生物安全性和生物降解性等问题。尽管许多受贻贝启发的SF基水凝胶已经成功继承了强大和多用途的界面黏附特性，但大多数只能在干燥条件下工作，在湿态或水下的黏附能力还需要进一步验证与加强。除了追求强黏附外，可逆黏附的发展也是迫切需要的，因为电子/生物功能设备需要从生物体上无损、智能分离。针对以上问题，迫切需要设计和构建受贻贝启发的新型SF基黏附材料，使其在生物医学工程和柔性电子领域发挥更加重要的作用。参考文献1 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