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              復旦大學生物大分子課題組在絲蛋白纖維功能化方面取得進展
              2020-02-29  來源:高分子科技

                蜘蛛絲由于其超強的力學性能,在上世紀末引起人們的廣泛興趣并成為研究熱點。人們最初的目標是希望通過人工紡絲的方法來獲取大量力學性能優異的人工蜘蛛絲,以突破天然蜘蛛絲無法大量獲取的瓶頸。但是人們后來漸漸發現,如果單從力學性能的角度去制備大量的人工蜘蛛絲意義并不大,因為蜘蛛絲是一種蛋白質纖維,其耐熱性較差,雖然力學性能優異,但是卻不能將它作為制作防彈衣等的材料,因為子彈動能轉換成的熱能很可能將其融穿而失去防彈作用。雖然用人工蜘蛛絲制造防彈衣的目標無法實現,但是在人工紡絲過程中可以在紡絲液中添加功能性物質,賦予人工絲蛋白纖維一些特定的功能,而這恰恰是蜘蛛絲、蠶絲等天然動物絲無法實現的。此外,一般而言,通常的應用中并不需要蜘蛛絲那樣極致的力學性能,因此并不需要采用量少價貴的蜘蛛絲蛋白作為原料,采用成本較低并可大量獲得的蠶絲蛋白即可。復旦大學高分子科學系邵正中教授和陳新教授領導的生物大分子課題組多年來一種致力于高性能再生絲蛋白纖維的人工紡制,陳新教授團隊在2009年即通過濕法紡絲的方法成功紡制了力學性能優異的再生絲蛋白纖維,其斷裂強度和斷裂能均高于天然蠶絲,完全具備了實用的價值(Adv. Mater., 2009, 21: 366)。近十多年來,陳新教授團隊不斷優化紡絲工藝,以期進一步改善再生絲蛋白纖維的結構(Biomacromolecules, 2010, 11: 1; ACS Biomater. Sci. Eng., 2016, 2: 1992)。此外,他們將極少量的碳納米管(不超過1%)添加到再生絲蛋白纖維中,結果發現再生絲蛋白纖維的斷裂強度并未下降,而其斷裂能則增加到可以和蜘蛛絲媲美(J. Mater. Chem. B, 2015, 3: 3940,封面文章)。

                最近,陳新教授團隊在再生絲蛋白纖維應用化方面又取得了進展。他們和華山醫院陳世益教授團隊等合作,在再生絲蛋白纖維中添加功能物質鋰皂土,并將獲得的再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維(圖1)編織成人工韌帶(圖2a-d)。通過力學性能測試發現(圖2e),相對于由天然脫膠蠶絲和純再生絲蛋白纖維編織的人工韌帶,由再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維編織成的人工韌帶,其各項力學性能更接近于大鼠自體前交叉韌帶,適合用作人工韌帶材料。

               

              圖1. 天然脫蠶膠絲(a)和2 wt%鋰皂土含量的再生絲蛋白纖維(b)的掃描電鏡圖.

               

              圖2. 再生絲蛋白/鋰皂土人工韌帶實物圖(a);分別由天然脫膠蠶絲(b)、純再生絲蛋白纖維(c)和再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維(d)編織成的人工韌帶的掃描電鏡圖;以及三種人工韌帶和大鼠前交叉韌帶的載荷-應變曲線(e). DLS:天然脫膠蠶絲人工韌帶;RS0L:純再生絲蛋白纖維人工韌帶;RS2L:2 wt%鋰皂土含量的再生絲蛋白纖維人工韌帶;Native:大鼠前交叉韌帶

                體外細胞實驗結果表明,由再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維編織的人工韌帶比由天然脫膠蠶絲以及純再生絲蛋白纖維編織的人工韌帶具有更好的細胞相容性和成骨分化作用。動物實驗結果顯示(圖3),只有采用再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維人工韌帶的實驗組才有新骨長入股骨和脛骨的骨孔道,表明鋰皂土的加入顯著提高了人工韌帶在韌帶重建后的骨整合作用。同時,他們對于韌帶重建后的生物力學性能進行了評估(圖4)。結果表明,再生絲蛋白/鋰皂土雜化纖維人工韌帶和其他人工韌帶相比具有最好的生物力學性能,特別是在拉伸小于16%時,其應力-應變曲線幾乎完全與大鼠自體前交叉韌帶的應力-應變曲線重合,體現出其優異的骨整合性能。

               

              圖3. 韌帶重建手術后12周,三種韌帶實驗組中大鼠股骨和脛骨骨道的Micro-CT橫斷面圖像(a),平均骨孔道面積(b)和相應位置骨小梁體積占總的組織體積的比例(BV/TV)值(c).

               

              圖4. 韌帶重建手術,人工韌帶生物力學測試測試圖(a),各種韌帶的載荷-位移曲線(b)和各種韌帶的失效載荷比較(c).

                隨著組織工程學的發展,人工韌帶有望成為韌帶重建領域中自體和異體移植材料的替代材料,但是目前不管是哪種人工韌帶材料,在韌帶重建后,人工韌帶與骨之間的融合仍然是一個亟待解決的問題。陳新教授團隊的研究工作不僅改善了人工韌帶的骨整合性能,而且成功拓展了絲蛋白纖維的功能化應用。

                相關成果以“Artificial ligament made from silk protein/Laponite hybrid fibers”為題在線發表在Acta Biomaterialia(DOI: 10.1016/j.actbio.2020.01.045)上。論文的第一作者為復旦大學高分子科學系董慶林博士,共同第一作者為復旦大學華山醫院蔡江瑜博士,通訊作者為復旦大學高分子科學系陳新教授,共同作者有復旦大學高分子科學系邵正中教授、姚晉榮副教授、華山醫院的陳世益教授、復向醫藥科技(上海)有限公司的劉也卓博士等。該工作得到了國家自然科學基金的支持。

                論文鏈接:

                https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1742706120300635

                https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.01.045

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              (責任編輯:xu)
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