《Angew》：重組蜘蛛絲凝膠！可用于3D打印的生物材料

來源：高分子科學(xué)前沿

水凝膠被用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如組織工程，藥物傳遞，生物制造等領(lǐng)域。除了海藻酸鹽或殼聚糖等多糖外，蠶絲或明膠等蛋白質(zhì)也可以加工成水凝膠。蜘蛛絲水凝膠表現(xiàn)出剪切稀化特征，是3D打印和生物制造的重要材料。然而，一些藥物活性制劑的水溶性或穩(wěn)定性較差，無法在水凝膠中存儲。這限制了水凝膠在醫(yī)藥傳遞領(lǐng)域的發(fā)展。

拜羅伊特大學(xué)Thomas Scheibel教授團隊采用一種新的加工方法，用水溶性有機共溶劑組裝并形成了重組蜘蛛絲凝膠，并通過對共溶劑的選擇來控制這些凝膠的性能。相關(guān)研究成果以“Aqueous-Organic Solvent Derived Recombinant Spider Silk Gels as Depots for Drugs”為題發(fā)表在《Angew》雜志上。

　　

蜘蛛絲蛋白是通過鉀或磷酸鹽等離子作用來折疊，這種離子觸發(fā)的結(jié)構(gòu)是蜘蛛絲蛋白天然組裝的過程。然而，當(dāng)非生理性有機共溶劑完全溶于水時，也可以實現(xiàn)蛋白質(zhì)折疊的效果。不同極性有機共溶劑的存在會改變?nèi)軇┗瘲l件，往往會導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象的改變。人們普遍認為，疏水相互作用和氫鍵是蛋白質(zhì)折疊的驅(qū)動力。除了分子內(nèi)折疊，還有分子間作用等。作者及團隊開發(fā)了一種新型的重組蜘蛛絲蛋白凝膠化途徑，通過纖維在水-有機非均相中組裝，制備蜘蛛絲凝膠蛋白（eADF4(C16)）。

有機添加劑對蜘蛛絲溶液的影響
之前有報道過重組蛛絲蛋白在加入磷酸鉀后組裝成纖維或顆粒狀，獲得的形態(tài)取決于磷酸鉀的濃度。因此，作者研究了共溶劑和溶質(zhì)(如DMSO和磷酸鉀)存在下的組裝，得到了特征纖維化的S型濁度曲線(圖1A)。作者分析了DMSO在不同體積的水-有機二元混合物中的影響，結(jié)果表明不帶電荷的化合物表現(xiàn)出最快的成核和纖維生長。帶正電荷的化合物顯示了一個快速的濁度增加過程，產(chǎn)生凝膠形態(tài)，但沒有形成穩(wěn)定的凝膠。負電荷突變體表現(xiàn)出最長的延遲期和良好的可控性凝膠形態(tài)。

圖1不同的Tris/DMSO體積比和磷酸鉀條件下，組裝形成的凝膠立體顯微圖像。

組裝速率對凝膠的影響
有趣的是，凝膠的穩(wěn)定性依賴于兩個因素，即eADF4變體的凈電荷以及有機添加劑(圖1B)，表明了電荷影響的分子內(nèi)和分子間結(jié)構(gòu)的形成。DMSO與eADF4(C16)內(nèi)谷氨酸殘基之間的氫鍵可能是高凝膠穩(wěn)定性的原因，但與DMSO濃度無關(guān)。膠凝形態(tài)隨DMSO濃度的增加而降低，與賴氨酸殘基形成的氫鍵減少。為了考察溶劑極性的影響，以3% w/v的eADF4(C16)溶液為最佳可控溶劑，在水中與DMF和DMSO共混。利用ATR-FTIR光譜分析了其對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的影響。新的凝膠顯示了典型的蜘蛛絲水凝膠剪切稀化行為和穩(wěn)定性。作者使用DMSO混合凝膠，采用3D打印方法打印出具有高形狀穩(wěn)定性的多層支架。這些結(jié)果證實了共溶劑制備的蜘蛛絲凝膠作為注射用藥甚至3D打印藥庫的適用性。

　　

圖2 有機添加劑對蜘蛛絲的影響的SEM圖像。

有機水溶液中蜘蛛絲凝膠形成機理的推定
最后，作者通過模擬方法，揭示了在溶劑存在下蜘蛛絲組裝的驅(qū)動力。在水-有機二元混合物中形成蜘蛛絲凝膠的途徑，部分是由有機-水界面的結(jié)構(gòu)驅(qū)動的。eADF4(C16)被發(fā)現(xiàn)在水-有機界面吸附時，在微膠囊中形成具有屏障功能的片狀結(jié)構(gòu)。在水-有機二元混合物的情況下，DMSO或DMF等有機共溶劑的存在可以形成微乳液，基于氫鍵相互作用形成的間相為微非均相。DMSO和DMF是兩親性分子，既可以與水形成氫鍵，也可以與其他分子(如蛋白質(zhì))發(fā)生疏水作用。同樣，由于eADF4具有兩親性，因此可以與疏水性和親水性藥物/分子相互作用。帶電荷的氨基酸殘基可與DMSO形成不同程度的氫鍵，帶負電荷的分子比不帶電荷或帶正電荷的分子更容易形成氫鍵。

圖3 用重組蜘蛛絲蛋白制造藥庫的路線說明。A)磷酸鹽誘導(dǎo)的微粒和任何類型的藥物共沉淀。B)在凝膠過程中，水凝膠不能加入疏水藥物，只能加入親水性藥物。C)凝膠形成的新途徑，允許親水性和疏水性藥物的摻入。D)微膠囊可吸收親水性、疏水性和兩親性(在水-有機界面)藥物。C)在均相(水)相形成水凝膠和在水-油界面形成相-層之間的中間條件D)。各種氨基酸形成的變體，如谷氨酸、谷氨酰胺或賴氨酸。

未來應(yīng)用
水溶性有機共溶劑制備的蜘蛛絲凝膠擴大了蜘蛛絲材料的應(yīng)用范圍，材料的性能可以通過共溶劑的選擇和所使用的蜘蛛絲變體來控制。根據(jù)研究結(jié)果，DMSO可以應(yīng)用于蜘蛛絲凝膠的藥物配方，通過調(diào)節(jié)有機溶劑的含量，產(chǎn)生生物相容性，實現(xiàn)生物可降解及無毒的透皮注射，甚至3D打印的藥物倉庫。