谷氨酸寡肽修饰丝素蛋白的结构与物理性能

《Macromolecular Materials and Engineering》：Structural and Physical Properties of Glutamic Acid Oligopeptide-Modified Silk Fibroin

　　

丝素蛋白（SF）作为一种安全的生物材料展现出优异的性能。尽管将SF与某些聚合物共混可增强其柔韧性、可降解性和细胞亲和性等性能，但这种整合也带来了一些挑战。本研究探讨了SF薄膜经亲水性氨基酸谷氨酸（GLU）组成的寡肽修饰后其结构和物理性能的变化。为促进肽段附着，通过氧等离子体处理增加SF薄膜表面的羧基，随后进行寡肽缀合。结构分析和性能评价表明，这种修饰抑制了SF中结晶结构的形成，并提高了其柔韧性和亲水性。这些发现表明，GLU修饰是控制SF结构变化和性能的有效方法，凸显了其在多种应用中的潜力。

丝素蛋白（SF）是家蚕（Bombyx mori）蚕丝的主要蛋白组分，约占蚕丝总质量的75%，长期应用于纺织品和医用缝合线。作为经美国食品药品监督管理局批准的安全生物材料，SF具有低炎症反应、优异力学性能和可控生物降解性，可加工成薄膜、纳米纤维、水凝胶和多孔基质等，是组织工程的有力候选材料。SF由重链（约350 kDa）和轻链（约25 kDa）经C端二硫键连接构成，重链包含结晶区、半结晶区和非晶区；结晶区富含(GAGAGS)_n重复序列，通过氢键、疏水作用和范德华力形成以β-折叠为主的高级结构，赋予SF高强度，但也使其缺乏承受组织工程所需脉动和运动负荷的柔韧性。为改善这一缺陷，传统方法通常采用与聚合物共混，如甘油、明胶、聚乙二醇等，但共混聚合物种类有限，且SF聚集易引发相分离，导致力学和降解性能不均。因此，亟需一种无需聚合物共混即可调控SF结构和性能的新策略。

针对上述问题，研究人员利用亲水性氨基酸谷氨酸（GLU）寡肽修饰SF。研究首先通过氧等离子体处理在SF薄膜表面引入羧基，再利用EDC/NHS化学偶联将含三个（GLU3）和七个（GLU7）谷氨酸残基的寡肽共价连接至SF，随后将材料重新溶解并再铸膜，使修饰位点在材料内均匀分布。通过结构分析与性能评价，研究人员发现GLU修饰抑制了SF结晶结构的形成，增加了链的无规卷曲比例，提高了薄膜的柔韧性和亲水性，并降低了酶解降解速率。该研究表明GLU修饰是控制SF结构和物理性能的有效方法，为设计基于SF的组织工程材料提供了新途径。相关成果发表于《Macromolecular Materials and Engineering》。

在具体实施中，研究人员使用了以下关键技术方法：氧等离子体处理（引入羧基）、甲苯胺蓝（TBO）比色法（定量表面羧基密度）、X射线光电子能谱（XPS，分析表面化学组成）、单轴拉伸测试（评估力学性能）、固态¹³C交叉极化魔角旋转核磁共振（¹³C CP/MAS NMR，解析二级结构）、X射线衍射（XRD，表征晶体结构及片层间距）、水含量测定、弹性蛋白酶体外酶解降解法以及傅里叶变换红外光谱（FT-IR，监测结构变化）。样本来源：家蚕丝纤维购自日本Usuiseishi Co., Ltd.。

研究结果部分如下：

**2.1 反应验证**：TBO实验显示，经氧等离子体处理后的SF-PZ薄膜吸光度显著高于未处理SF，证明羧基成功引入。XPS结果进一步表明，SF-PZ的氧含量（19.9%→25.3%）和O/C比（0.3→0.5）升高，C═O比例从28.3%增至49.3%，而C─C/C─H比例下降；GLU修饰后C─C/C─H比例回升，证实寡肽已共价连接至SF。

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