丝蛋白生物材料的静电纺丝

生物来源的材料具有合成材料无法企及的关键特性，能够用于制造具有更优性能的复杂结构。生物材料是指由活体或曾存活的生物体产生或制备的材料。这些材料（如丝素蛋白）通常需要经过多种加工步骤，才能达到可用且可控的状态。经过处理的生物材料可进一步用于构建特定结构，例如纤维膜、水凝胶和薄膜。本视频将介绍从家蚕蚕茧中提取丝素蛋白的加工过程，随后通过静电纺丝技术将处理后的材料制备成纤维膜。

丝是由多种昆虫（如蜘蛛）纺丝形成的蛋白质聚合物。然而，在生物工程中常用的丝材料主要来源于家蚕（Bombyx mori）的幼虫，俗称蚕，其作为医用缝合线已商业化使用数十年。B. mori 的丝材料提取自蚕茧，蚕茧由包裹在丝胶包被中的丝素蛋白构成。丝胶是一种胶状蛋白质，起到将蚕茧固定在一起的作用。丝素蛋白具有高度重复的氨基酸序列，主要由丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸残基组成，从而导致其蛋白质二级结构高度均一。丝素蛋白呈现重复的β-折叠结构，即横向连接形成的折叠片层。这些结构使蛋白质聚合物具有高度结晶性，结合其疏水性，赋予丝材料极高的强度和韧性。例如，丝的抗拉强度（即通过延展承受载荷的能力）可达骨的四倍。在生物工程应用前，丝通常被加工成聚合物溶液。首先去除纤维中的丝胶，随后溶解丝素蛋白。所得的丝溶液不具有二级结构，因此其力学性能较弱。然而，经甲醇处理可诱导部分β-折叠结构的恢复。该丝溶液可通过一种称为电纺丝的技术进行加工，即在收集装置与注射器针头之间施加高电压。注射器针头缓慢释放生物材料溶液，静电作用使溶液滴拉伸成纤维。这些纤维随机沉积在收集器上，形成纳米纤维膜。在概述了丝素蛋白加工的基本原理后，接下来将介绍通过电纺丝制备微纤维膜的具体操作流程及其应用方法。

为了从家蚕（Bombyx mori）制备丝素蛋白溶液，首先将蚕茧切成小片，并去除蚕蛹及其他昆虫残渣。接着，将蚕茧碎片在碳酸钠溶液中煮沸，以去除丝胶蛋白。煮沸后，将丝素蛋白从溶液中取出，并用清水多次洗涤。随后，将丝纤维在室温下过夜干燥。干燥后的丝纤维随后在溴化锂溶液中于60摄氏度下溶解4小时。待丝蛋白完全溶解后，将溶液转移至透析盒中，并对水进行透析。为确保完全去除溴化锂，需频繁更换透析用水。透析完成后，将水相丝素蛋白溶液转移至离心管中，并进行离心，以去除残留的丝素蛋白颗粒。丝素蛋白溶液在4摄氏度下保存，待用时取出。

开始静电纺丝时，将生物材料溶液装入注射器，并固定在注射泵上。将高压电源连接到注射器针尖，该针尖称为喷丝头。在喷丝头对面放置收集装置，通常是一条金属箔，并将其接地。调节喷丝头与收集装置之间的距离至预设值。若距离过小，纤维在沉积前可能没有足够时间固化，从而形成不一致的带状结构；而若距离过大，纤维则可能聚集或变得不均匀。设定注射泵的流速并开启高压电源。随着电压升高，静电作用力逐渐抵消溶液的表面张力，液面形成锥形，称为泰勒锥，随后在更高电压下发展为射流。纤维最终随机沉积在金属箔表面，形成无纺状纤维膜。也可使用旋转的收集装置以获得取向排列的纤维膜。

在生物工程应用中，存在多种不同类型的生物材料，其用途涵盖组织植入物、生物电子学和生物传感等领域。丝素蛋白及其他生物材料的静电纺丝膜常用于构建组织支架，为人工组织提供结构支持。细胞可直接接种于这些结构上，从而实现三维组织的形成。组织支架的设计旨在促进有利的细胞相互作用，以模拟真实组织的结构与功能。同时，这些支架还可被设计成具备特定组织所需的理想特性。例如，模拟肌肉功能的支架必须具有比模拟皮肤功能的支架更高度取向的纤维结构。尽管丝素蛋白通常来源于家蚕，但蜘蛛丝也常被使用，因其具有更高的机械强度。由于蜘蛛难以大规模养殖，该材料通常通过生物技术手段进行人工合成。在此示例中，重组丝素蛋白被静电纺丝沉积到滤膜装置上。由于丝素纤维网的孔径显著小于传统制造滤膜的孔径，将其添加至滤膜后可大幅提高过滤效率，从而实现对更小颗粒的截留。最后，生物材料也常由聚己内酯和聚乳酸等人工合成聚合物制备而成。这些材料在实验室中合成，因其具备可生物降解性和生物相容性，可用于模拟天然生物来源的材料。通过加工技术可方便地调控这些材料的性能，以构建适用于生物分子组装的生物相容性表面，或构建如本示例所示的疏水性表面。

您刚刚观看了 JoVE 关于丝基生物材料的介绍。现在您应该了解蚕丝如何被制备并电纺成膜，以及其他生物材料在生物工程领域中的应用。感谢观看。