一种显著缩短凝胶化时间的丝素蛋白水凝胶制备新方法

《Macromol》：A Novel Method for Preparation of Silk Fibroin Hydrogels with Significantly Reduced Gelation Time

　　

水凝胶（Hydrogels）因其优异的保水性、柔韧性、粘弹性及良好的力学性能而被视为一种多功能且理想材料。丝素蛋白（Silk fibroin, SF）是用于制备水凝胶的最丰富的生物聚合物之一。SF水凝胶可通过自组装（self-assembly）或物理/化学交联（physical/chemical cross-linking）诱导制备。由于自组装方法简单且化学交联剂具有潜在危害，自组装制备SF水凝胶被认为更为有利。然而，自组装过程通常非常缓慢且耗时，这是SF工业应用的主要缺陷和限制。在本研究中，研究人员提出了一种从SF粉末水分散体（aqueous dispersions of SF powder）制备SF水凝胶的新方法。结果表明，与从SF溶液制备水凝胶相比，采用SF分散体制备时凝胶化时间（gelation time）显著缩短，且在所研究的浓度范围内，两类水凝胶具有相似的流变（rheological）和粘弹性（viscoelastic）性质。所有制备的水凝胶均表现出触变性（thixotropic behavior），且存储模量（storage modulus, G′）优于损耗模量（loss modulus, G″）。

丝素蛋白（Silk fibroin, SF）水凝胶因其优异的生物相容性、机械稳定性和可降解性，在生物医学和制药领域受到广泛关注。然而，传统自组装法制备SF水凝胶过程缓慢且耗时，严重限制了其工业化应用。现有物理或化学交联方法虽能加速凝胶化，但常引入有害添加剂或损害水凝胶性能。为解决这一问题，研究人员开发了一种基于SF粉末直接分散于水中的新方法，旨在简化浓度调节、缩短凝胶化时间并保持水凝胶性能。研究表明，该方法制备的SF水凝胶（SFd）凝胶化时间较常规溶液法（SFs）缩短约两倍，且两者在流变学和粘弹性上高度相似。论文发表在《Macromol》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：通过碱煮脱胶、溴化锂溶解、透析及离心过滤提取纯化SF溶液；利用喷雾干燥（Spray Drying）将SF溶液转化为干粉；将SF粉末分散于蒸馏水中制备不同浓度（0.5%、1%、2%、4% wt.）分散体，并在室温下静置至凝胶化；同时稀释SF溶液作为对照。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析结构变化，并利用流变仪（HAAKE RheoStress RS600）测量流动曲线、振幅扫描及线性粘弹区（LVR），测定存储模量（G′）、损耗模量（G″）、触变环面积及法向力（F_n）。所有测试在凝胶化当天进行，数据经单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD检验。

**3.1 凝胶化时间（Gelation Time）**
通过倾斜烧杯法经验确定凝胶化时间（GT）。结果显示，SFs溶液凝胶化需11–16天，而SFd分散体仅需4–7天，SFd凝胶化速度显著快于SFs。统计表明，同类型凝胶内GT基本与浓度无关（除4% SFs和1% SFd外），但无单调趋势。研究人员认为，SFd凝胶化加速源于颗粒凝胶（particulate gel）机制：初始SF颗粒通过水合、聚集和渗透（percolation）形成网络，而溶液凝胶依赖分子间氢键，过程更慢。该方法使凝胶化时间缩短约两倍，且粉末起始材料便于浓度调节。

**3.2 FTIR分析（FTIR Analysis）**
FTIR光谱显示，SF溶液、分散体、SFs凝胶和SFd凝胶均在~3300 cm^-1（N-H伸缩）、~1630 cm^-1（酰胺I带，β-折叠）和~660 cm^-1（酰胺V带）处出现特征峰。SFs和SFd凝胶在1510–1580 cm^-1处出现酰胺II带肩峰，表明β-折叠含量增加。SF溶液和分散体该峰较弱。比较表明，SFd和SFs凝胶的β-折叠构象无显著差异，证实两种方法所得水凝胶结构相似。

**3.3 SF水凝胶的流变性质（Rheological Properties of SF Hydrogels）**
流动曲线显示，所有SFs和SFd凝胶均表现出触变性（thixotropy），且随SF浓度增加（0.5%→4%），剪切应力约增大一个数量级，表明粘度增加。所有样品呈剪切变稀（shear-thinning）行为。触变环面积从80 Pa/s增至约20,000 Pa/s，环面积与凝胶结构强度相关。在0.5%浓度下环面积与凝胶类型无关，1%和2%时SFs环面积高于SFd，4%时SFd环面积更高，表明浓度对结构强度的影响存在差异。

**3.4 SF水凝胶的粘弹性性质（Viscoelastic Properties of SF Hydrogels）**
振幅扫描实验显示，LVR随SF浓度增加而增大并向更高应力值移动，表明更高浓度凝胶具有更高抗变形能力。所有样品中G′始终高于G″，证实弹性占主导。G′和G″随浓度增加而增大，且SFs凝胶的G′和G″略高于SFd凝胶（如4% SFs: 12.5 kPa, SFd: 9.6 kPa），但数值相近。tan(δ)（G″/G′）均低于1且随浓度降低，表明更高浓度形成更弹性的网络。法向力（F_n）面积随浓度增加，且SFd凝胶的F_n面积高于SFs，提示SFd网络具有更大的抗变形阻力。

**讨论与结论**
讨论部分指出，SFd凝胶的快速凝胶化归因于颗粒聚集机制，初始水合颗粒提供预组织区域促进网络生长。FTIR证实两种凝胶β-折叠结构相似，流变学显示两者均具触变性和弹性主导行为，且机械性能可比。该方法通过简单粉末分散实现了凝胶化时间显著缩短，同时保持了理想性能。结论翻译如下：丝素蛋白水凝胶已在生物医学和制药领域得到广泛研究，如控释给药系统、可注射生物材料、伤口愈合支架及组织工程基质。物理交联（尤其是自组装）虽有利但耗时。本研究提出了一种替代方法，通过喷雾干燥获得SF颗粒并分散于水中制备水凝胶，显著缩短凝胶化时间，同时保持与传统凝胶相当的结构和流变性质。增加SF浓度促进了更强、更弹性的网络形成。该粉末基方法为调节SF水凝胶性质和浓度提供了多功能平台，可能简化未来基于丝素蛋白材料的制备。进一步优化凝胶化物理参数及评估特定应用的机械、生物和功能特性是未来方向。