《Angew》:重组蜘蛛丝凝胶!可用于3D打印的生物材料

3D打印科研前沿
2021
04/07
09:22
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本帖最后由 小软熊 于 2021-4-7 09:22 编辑

来源:高分子科学前沿

水凝胶被用于生物医学应用,如组织工程,药物传递,生物制造等领域。除了海藻酸盐或壳聚糖等多糖外,蚕丝或明胶等蛋白质也可以加工成水凝胶。蜘蛛丝水凝胶表现出剪切稀化特征,是3D打印和生物制造的重要材料。然而,一些药物活性制剂的水溶性或稳定性较差,无法在水凝胶中存储。这限制了水凝胶在医药传递领域的发展。

拜罗伊特大学Thomas Scheibel教授团队采用一种新的加工方法,用水溶性有机共溶剂组装并形成了重组蜘蛛丝凝胶,并通过对共溶剂的选择来控制这些凝胶的性能。相关研究成果以“Aqueous-Organic Solvent Derived Recombinant Spider Silk Gels as Depots for Drugs”为题发表在《Angew》杂志上。

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蜘蛛丝蛋白是通过钾或磷酸盐等离子作用来折叠,这种离子触发的结构是蜘蛛丝蛋白天然组装的过程。然而,当非生理性有机共溶剂完全溶于水时,也可以实现蛋白质折叠的效果。不同极性有机共溶剂的存在会改变溶剂化条件,往往会导致蛋白质构象的改变。人们普遍认为,疏水相互作用和氢键是蛋白质折叠的驱动力。除了分子内折叠,还有分子间作用等。作者及团队开发了一种新型的重组蜘蛛丝蛋白凝胶化途径,通过纤维在水-有机非均相中组装,制备蜘蛛丝凝胶蛋白(eADF4(C16))。

有机添加剂对蜘蛛丝溶液的影响
之前有报道过重组蛛丝蛋白在加入磷酸钾后组装成纤维或颗粒状,获得的形态取决于磷酸钾的浓度。因此,作者研究了共溶剂和溶质(如DMSO和磷酸钾)存在下的组装,得到了特征纤维化的S型浊度曲线(图1A)。作者分析了DMSO在不同体积的水-有机二元混合物中的影响,结果表明不带电荷的化合物表现出最快的成核和纤维生长。带正电荷的化合物显示了一个快速的浊度增加过程,产生凝胶形态,但没有形成稳定的凝胶。负电荷突变体表现出最长的延迟期和良好的可控性凝胶形态。


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图1不同的Tris/DMSO体积比和磷酸钾条件下,组装形成的凝胶立体显微图像。


组装速率对凝胶的影响
有趣的是,凝胶的稳定性依赖于两个因素,即eADF4变体的净电荷以及有机添加剂(图1B),表明了电荷影响的分子内和分子间结构的形成。DMSO与eADF4(C16)内谷氨酸残基之间的氢键可能是高凝胶稳定性的原因,但与DMSO浓度无关。胶凝形态随DMSO浓度的增加而降低,与赖氨酸残基形成的氢键减少。为了考察溶剂极性的影响,以3% w/v的eADF4(C16)溶液为最佳可控溶剂,在水中与DMF和DMSO共混。利用ATR-FTIR光谱分析了其对蛋白质结构形成的影响。新的凝胶显示了典型的蜘蛛丝水凝胶剪切稀化行为和稳定性。作者使用DMSO混合凝胶,采用3D打印方法打印出具有高形状稳定性的多层支架。这些结果证实了共溶剂制备的蜘蛛丝凝胶作为注射用药甚至3D打印药库的适用性。

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图2 有机添加剂对蜘蛛丝的影响的SEM图像。

有机水溶液中蜘蛛丝凝胶形成机理的推定
最后,作者通过模拟方法,揭示了在溶剂存在下蜘蛛丝组装的驱动力。在水-有机二元混合物中形成蜘蛛丝凝胶的途径,部分是由有机-水界面的结构驱动的。eADF4(C16)被发现在水-有机界面吸附时,在微胶囊中形成具有屏障功能的片状结构。在水-有机二元混合物的情况下,DMSO或DMF等有机共溶剂的存在可以形成微乳液,基于氢键相互作用形成的间相为微非均相。DMSO和DMF是两亲性分子,既可以与水形成氢键,也可以与其他分子(如蛋白质)发生疏水作用。同样,由于eADF4具有两亲性,因此可以与疏水性和亲水性药物/分子相互作用。带电荷的氨基酸残基可与DMSO形成不同程度的氢键,带负电荷的分子比不带电荷或带正电荷的分子更容易形成氢键。


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图3 用重组蜘蛛丝蛋白制造药库的路线说明。A)磷酸盐诱导的微粒和任何类型的药物共沉淀。B)在凝胶过程中,水凝胶不能加入疏水药物,只能加入亲水性药物。C)凝胶形成的新途径,允许亲水性和疏水性药物的掺入。D)微胶囊可吸收亲水性、疏水性和两亲性(在水-有机界面)药物。C)在均相(水)相形成水凝胶和在水-油界面形成相-层之间的中间条件D)。各种氨基酸形成的变体,如谷氨酸、谷氨酰胺或赖氨酸。

未来应用
水溶性有机共溶剂制备的蜘蛛丝凝胶扩大了蜘蛛丝材料的应用范围,材料的性能可以通过共溶剂的选择和所使用的蜘蛛丝变体来控制。根据研究结果,DMSO可以应用于蜘蛛丝凝胶的药物配方,通过调节有机溶剂的含量,产生生物相容性,实现生物可降解及无毒的透皮注射,甚至3D打印的药物仓库。



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