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物理交联丝素蛋白/透明质酸支架
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结合天然蛋白质和多糖的特性是产生具有可控结构的生物活性生物材料的一种有前途的方案。《Physically crosslinked silk fibroin/hyaluronic acid scaffolds》这篇文章报道了一种使用全水工艺制备具有可调性能的水不溶性丝素蛋白/透明质酸 （SF/HA） 支架的新方法。冷冻诱导组装在SF/HA共混物中形成silk-I结晶。Silk-I结晶通过形成silk-I晶体网络来捕获共混HA，无需化学交联，从而增强了SF/HA支架在水中的稳定性。这种新型非化学交联蛋白质/多糖支架由于具有出色的生物相容性和可调性能，可用于软组织工程。 【研究内容】 图1展示了直接用SF/HA水溶液通过冷冻退火处理后制备水不溶性SF/HA支架。电镜下观察材料具有典型不规则梭形形状的相互连接的大孔形态。 纯SF支架表现出良好的水稳定性。与HA混合后，共混物表现出良好的水稳定性，水溶性为4.0–4.6%，表明SF的存在增强了HA在水中的稳定性。随着HA含量从1.5 wt %增加到5.0 wt%，水溶性没有表现出显著变化。然而，HA含量超过7.5 wt %的SF/HA共混支架往往不稳定，表现为水溶性显著增加。 通过XRD测定SF/HA共混支架结构的变化。图3显示了退火处理前后SF/HA混合支架的XRD数据。可溶性SF支架呈现无定形状态，其特征是在10.5°至25.0°的2θ散射角范围内存在宽峰。与HA共混后，物理共混过程中晶体结构无变化。水不溶性SF支架在冷冻退火后表现出典型的晶体结构。SF样品显示出silk-I结构的典型XRD，衍射峰分别为12.0°、19.7°和28.0°，对应silk-I晶距分别为0.73、0.45和0.32 nm。结果表明，SF的存在显著增强了SF/HA支架在水中的稳定性，因为其丝I晶结构域起着物理交联的作用。虽然HA并未阻止混纺物中SF的silk-I结晶，但随着HA比值的增加，silk-I晶峰的强度逐渐降低，表明silk-I含量降低。 图4显示了水不溶性SF/HA支架形成的潜在机制。SF/HA 混合物是水溶性的，因为 HA 不与 SF 链发生化学交联。冷冻可以诱导丝素蛋白的组装，并在退火后形成silk-I主导结构。冷冻退火诱导silk-I结晶，HA链被silk-I晶体捕获，形成水不溶性SF/HA支架。当HA含量增加到高水平时，SF/HA混合物中silk-I的含量可能不足以捕获大量的HA。由于混纺中的silk-I含量较低，HA含量超过7.5 wt % 的SF/HA支架往往不稳定。 SF/HA混合支架在不同溶胀时间下的溶胀比如图5所示，SF支架在10 min后溶胀率最低，为14.5。支架的溶胀能力随着HA含量的增加而逐渐增加。具有5.0 wt %HA的支架显示出优异的溶胀能力。在较短的溶胀时间（5 min）下，溶胀比达到18.7,15 min后达到最大值19.4。进一步测试了37 ℃下混合支架的保水率。随着HA含量的增加，支架失水率逐渐降低。含5.0 wt %HA的支架保水能力最高，90 min后保水量为72.7±0.3%，显著高于SF支架（58.7±1.5 %）。结果进一步证实，HA的引入显著提高了SF支架的水结合能力。 添加5.0 % HA后，支架的抗压强度从81±8 kPa降低到50±7kPa。SF支架的杨氏模量最高（57±5kPa），模量从57±5kPa逐渐减小至48±5kPa和32±3kPa，HA含量从0wt%增加到2.5wt%和5.0wt%。模量的降低增强了多孔支架的柔软度。多孔支架在湿态下的抗压性能与干态的抗压性能呈相似趋势。添加5.0%HA后，支架的抗压强度从5.2±0.9kPa降低到3.0±0.7kPa。特别是，SF/HA支架的柔韧性进一步降低。与SF组分相比，HA具有更强的吸水性，因此模量显著降低。与HA混合后，HA含量从0wt%增加到2.5wt%和5.0wt%，模量从4.18±0.04kPa逐渐降低到3.17±0.04kPa和2.29±0.01kPa。该混合系统成功地整合了SF的机械强度和HA的水结合能力和柔韧性。 图7显示了不同酶降解时间内样品的重量损失。随着暴露时间的增加，PBS溶液中SF导管的失重缓慢增加。在PBS溶液中孵育21 d ，两组之间未观察到显著差异，两组支架的重量损失达到47%。在胶原酶IA溶液中孵育时，SF材料在孵育21天后体重减轻了约72%。在前7天，SF 支架的降解速度似乎更快，可能是因为 SF 首先降解并从混合物中释放出来。14 d后，SF/HA支架显示出更快的降解速率，这可能与样品中HA的释放有关。孵育 21 天后，样品体重减轻了82%。 【结论】 通过冷冻诱导的silk-I结晶，可以直接从SF/HA水溶液中制备水不溶性SF/HA支架。该系统的机制是由于silk-I晶体的形成，将非结晶链捕获在混合物中。当HA含量达到7.5 wt %时，SF/HA共混支架在水中往往不稳定，因为SF晶体不足以捕获大量的HA。虽然添加的HA含量不到5%，但可以有效调节支架的水结合力、力学性能、降解行为。物理交联的 SF/HA 支架提供了一套有用的性能，将SF的机械完整性和缓慢降解与HA的水结合能力和生物信号传导相结合。这一发现也可用于生产SF生物相容性聚合物共混支架，以改善SF基生物材料的性能。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116232 |
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