北京林业大学杨俊团队：基于蚕丝蛋白疏水作用构筑的天然高分子水凝胶新进展
天然结构材料，如丝绸、动物骨骼、珍珠层和植物纤维，其优异的力学强度和韧性是合成材料难以达到的，实验和理论研究表明，这些材料是通过牺牲键的断裂实现了其特殊的增韧增强。疏水缔合作用作为一种典型的牺牲键，在水凝胶受到应力时，有效耗散能量和增加断裂韧性。同时，这种可逆的交联方式可以使水凝胶在不需要外部刺激或愈合剂情况下快速自愈合。然而，在表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中胶束共聚形成的疏水缔合凝胶往往表现出较低的细胞相容性，在组织工程领域应用中具有潜在的细胞毒性或其他不良作用。
为解决这一问题，杨俊副教授团队提出了一种无表面活性剂的疏水缔合（HA）水凝胶的设计策略，将疏水性单体甲基丙烯酸十八烷基酯（C18M）溶解于两亲性丝素蛋白（RSF）溶液中形成疏水缔合作用，并将其作为牺牲键引入到海藻酸钠离子交联网络中（图1），制备出兼具较高压缩强度和自愈合性、可注射性和生物相容性的多功能丝蛋白基天然高分子水凝胶。
图1. SA-RSF HA水凝胶的构建示意图。
弹性压缩和流变学分析表明，在小应变作用下，疏水缔合率先被破坏并发生能量耗散，随着应变逐渐增大，疏水缔合作用减弱，海藻酸盐与Ca2+之间的离子键发生不可逆地断裂，以维持凝胶结构的完整性。根据稳态剪切流变测量，HA水凝胶表现出剪切变稀行为，因此HA凝胶具有触变性，当剪切应力消除后，其网络结构可以很快恢复（图2）。此外，利用光学显微镜记录了HA凝胶的自愈过程，划痕处的裂纹在12小时内几乎愈合，说明HA凝胶具有一定的自愈合能力（图3）。凝胶样品切割后，凝胶表面产生裂缝，部分混合胶束断裂，由于混合胶束（RSF+C18M）层内和层间的迁移，裂缝首先重塑为圆形孔洞，接着凝胶完全自愈。
图2. HA凝胶的(a)储能模量(G’)和(b)损耗模量(G”)。(c) SA，SA-RSF与不同浓度的C18M 的SA-RSF-C18M HA凝胶的稳态剪切粘度η* (37°C)。(d) HA凝胶的可注射性(甲基蓝染色)。
图3. (a) SA-RSF-C18M-30 HA凝胶自愈过程的光学显微镜图像。(b) 自愈合前后凝胶机理示意图。
此外，在模拟体液（SBF）中矿化28天后发现磷化钙纳米颗粒均匀分布于矿化后的凝胶表面。这是由于丝素蛋白在SBF溶液的降解产物中含有磷酸根离子，丝素蛋白可将磷酸根离子传递到凝胶周围环境中，有利于Ca2+的捕获，在凝胶表面形成磷化钙纳米颗粒。值得注意的是即使体外培养14天后，小鼠成骨细胞（MC3T3-E1）在HA凝胶中的存活率仍能达到48.62%（图4）。
图4. (a) SA凝胶和(b) SA-RSF-C18M-30凝胶矿化20天后电镜图对比。小鼠细胞(MC3T3-E1)在HA凝胶中培养(c) 1天and (d) 14天后的细胞活性。
上述成果于近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，论文题目为Autonomic Self-Healing Silk Fibroin Injectable Hydrogels Formed via Surfactant-Free Hydrophobic Association，第一作者为北京林业大学博士生孟蕾，通讯作者为北京林业大学杨俊副教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b19415
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