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醫(yī)用蠶絲科技新蟲 (初入文壇)
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絲素蛋白珍珠層 已有1人參與
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【摘要】 由于結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性之間的一致性，生產(chǎn)輕型、機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)、韌性和生物相容性的材料在材料工程中仍然是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。受珍珠層的“砂漿”結(jié)構(gòu)，一種具有自然優(yōu)化的結(jié)構(gòu)-性能-功能關(guān)系的結(jié)構(gòu)，本研究通過(guò)整合冰模板和熱塑性成型技術(shù)，將絲蛋白（SF）作為一種以絲蛋白為基礎(chǔ)的珍珠層。SF珍珠層在微觀結(jié)構(gòu)上與天然珍珠層相似，其強(qiáng)度和韌性甚至優(yōu)于天然珍珠層。這些機(jī)械性能允許通過(guò)極端加工技術(shù)進(jìn)行加工，如離子束光刻。此外，SF珍珠層可用于調(diào)制激光束的偏振率，產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)顏色。生物相容性、機(jī)械魯棒性、良好的加工性和可調(diào)著色使SF材料可以被用作結(jié)構(gòu)工程和生物醫(yī)學(xué)用途的塑料替代品，顯示了這種可植入設(shè)備在臨床轉(zhuǎn)化方面的發(fā)展前景。 【一、SF珍珠層的制備工藝】 圖1描述了制備SF珍珠層的兩步方法。第一步是冰模板技術(shù)，以產(chǎn)生固體、高度定向和多孔的SF泡沫。更具體的是，SF溶液（<3 wt%）包裹在頂部和側(cè)面包有絕緣材料的容器中，放置在冷源上。在這種情況下，只有SF溶液的底層與冷源接觸進(jìn)行傳熱，而其他方向都是絕熱的。因此，SF溶液的底部會(huì)使溫度下降到零以下，從而導(dǎo)致冰沿溫度梯度場(chǎng)從下到上的方向生長(zhǎng)。在這種定向凍結(jié)過(guò)程中，溶液中的SF會(huì)逐漸積累在冰晶的晶界上，并在晶體生長(zhǎng)產(chǎn)生的剪切場(chǎng)下定向。因此，SF分子也被平行于冰晶的生長(zhǎng)方向排列。冷凍完成后，合成的復(fù)合材料可以直接凍干，使冰晶升華為水蒸氣，其占據(jù)的體積成為孔隙，從而形成固體和多孔的SF泡沫。 【二、泡沫的特性】 這些SF泡沫很靈活，可彎曲，重量輕，可承受超過(guò)200 g的重量而不損壞。掃描電子顯微鏡（SEM）和二維小角度x射線散射（SAXS）的結(jié)果表明，孔隙和SF鏈確實(shí)沿縱向高度定向。當(dāng)SF濃度從1wt%增加到3 wt%時(shí)，細(xì)胞壁的形態(tài)也逐漸從纖維狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu)。其中，壁厚從1μm增加到7μm，孔徑從5μm增加到10μm。 【三、SF泡沫材料的理化性能】 此前，利用冰作為成孔劑的定向冷凍法已被廣泛應(yīng)用于制備SF支架。然而，這些報(bào)道的方法通常采用高濃縮的SF溶液（>5 wt%）。因此，它們產(chǎn)生的SF泡沫以β-折疊構(gòu)象為主。由于交聯(lián)劑將SF連接到分子網(wǎng)絡(luò)上，β-sheet的形成可以提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。然而，對(duì)于目前的制造路線，由于形成的交聯(lián)分子網(wǎng)絡(luò)不能進(jìn)行熱塑性變形，過(guò)早形成的β折疊將阻止后續(xù)成型步驟的成功。因此，在當(dāng)前體系中，溶液中的SF濃度控制在1~3wt%之間。兩種廣角x射線散射（WAXS）表征和傅里葉變換紅外（FTIR）光譜表明，使用這些濃度的冰模板SF泡沫的構(gòu)象與SF溶液狀態(tài)的構(gòu)象一致，以隨機(jī)線圈和/或螺旋（即絲I）結(jié)構(gòu)為主。在q=15nm−1和1650cm−1處，1維WAXS輪廓光譜和FTIR光譜的強(qiáng)吸收和寬吸收證明了這一點(diǎn)。 【四、SF基質(zhì)的特性】 如下圖所示，熱壓科幻泡沫制備的大塊材料的截面掃描電鏡圖像顯示珍珠狀微結(jié)構(gòu)，其中磚的長(zhǎng)邊平行于x方向，“磚”之間的界面層起粘接作用。磚的厚度分布均勻，僅在1~3μm的范圍內(nèi)變化。此外，這些SF區(qū)域具有高度透明的透明度（在750nm處透明度達(dá)到77.3%），并且在偏振光下表現(xiàn)出明亮的雙折射顏色。這些結(jié)果也證明了采用上述設(shè)計(jì)的兩步法可以制備宏觀實(shí)用性和高透明的純蛋白珍珠層。 【五、SF基珍珠層和天然珍珠層的力學(xué)性能】 采用圖5所示的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，評(píng)估SF面積的力學(xué)性能，得到具有代表性的韌性應(yīng)力-應(yīng)變曲線（存在表觀屈服過(guò)程）。曲線呈現(xiàn)出優(yōu)雅的變形，沒(méi)有突然坍塌。在小應(yīng)變下，其行為具有彈性，而在彈性狀態(tài)之外，加載曲線顯示出廣泛而溫和的下降區(qū)。SF珍珠的特殊強(qiáng)度（63.57 MPa/（g/cm3））甚至是（47.05 MPa/（g/cm3））的1.4倍。SF珍珠層的斷裂強(qiáng)度也是已知的中最堅(jiān)硬的生物蛋白材料之一蟾毒靈角的2.6倍。含20%的SF珍珠層表現(xiàn)出典型的延性斷裂行為。SF珍珠在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中斷裂，而PEOSF珍珠即使在彎曲應(yīng)變達(dá)到12%時(shí)也不會(huì)斷裂并彈性恢復(fù)其初始形狀。 采用J-R（J-積分抗斷裂）曲線方法對(duì)裂紋擴(kuò)展階段的多種外部增韌機(jī)制進(jìn)行了評(píng)價(jià)，穩(wěn)態(tài)斷裂韌性KJc可以描述材料的最大斷裂韌性。SF珍珠的KJc為12.5MPa·m1/2，明顯高于珍珠層（8.5MPa·m1/2）。 【六、SF珍珠層光調(diào)制】 SF珍珠層的周期性砂漿結(jié)構(gòu)使材料能夠操縱光，例如，調(diào)節(jié)偏振方向。如圖所示，波長(zhǎng)為650 nm的入射圓形激光束經(jīng)過(guò)SF珍珠層后被調(diào)制成線形。然而，如果這些圓形激光束以隨機(jī)的分子排列通過(guò)SF縱束，則出射光仍然保持著圓形。光電二極管功率傳感器可以定量地評(píng)價(jià)SF珍珠調(diào)制在X和y方向上產(chǎn)生的偏振。無(wú)論是在X方向還是y方向，散射強(qiáng)度分布與洛倫茲函數(shù)吻合較好。因此，SF珍珠層誘導(dǎo)的激光偏振作用光可以定量預(yù)測(cè)，這是其在勢(shì)偏振成像中的應(yīng)用的關(guān)鍵。 【七、離子束光刻法刻蝕SF基質(zhì)層】 制備的SF材料的結(jié)構(gòu)緊湊性和機(jī)械魯棒性使離子束光刻等嚴(yán)格處理技術(shù)的應(yīng)用成為可能，為此可以混淆氦離子顯微鏡。我們證明了SF珍珠層也可以用于這種極端的光刻技術(shù)，以直接在其表面書寫任何想要的圖案。使用氦離子顯微鏡用鎵離子束蝕刻的SF珍珠層。不同的數(shù)字和復(fù)雜的模式被直接地“寫”在表面上。通過(guò)控制離子束的強(qiáng)度，可以調(diào)節(jié)蝕刻的深度。即使在空間分辨率高達(dá)20 nm時(shí)，蝕刻的圖案也顯示出良好的防御形狀和規(guī)則的邊緣。SF珍珠層的處理分辨率可小至150 nm。 此外，在蝕刻表面上檢測(cè)到相互連接的球狀聚集體，表面粗糙度約為85 nm。高分辨率的原子力顯微鏡圖像進(jìn)一步顯示，在球形聚集體之間出現(xiàn)了納米粒子。利用納米紅外技術(shù)對(duì)這些骨料表面的化學(xué)成分進(jìn)行了繪制。與未蝕刻區(qū)域的納米紅外光譜相比，在聚集體的光譜中都沒(méi)有酰胺I和II帶。這些結(jié)果表明，SF是降解的，而不是碳化的。模式SF珍珠層提供了一個(gè)很有前途的體外組織樣平臺(tái)，可以深入研究幾何特殊結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞發(fā)育的影響，部分原因是SF珍珠層的模量與致密骨組織的模量匹配良好。 【結(jié)論】 在本研究中，我們將冰模板和熱塑性成型技術(shù)相結(jié)合，制造出由原始SF組成的人造珍珠層，這是一種從蠶繭中廣泛獲得的天然蛋白質(zhì)。在冰模板處理中，SF的濃度引導(dǎo)了SF的構(gòu)象和泡沫中孔隙的形態(tài)和比例。對(duì)于熱塑性成型，加工溫度、SF的水化狀態(tài)和施加壓力是三個(gè)重要因素。在原位超高壓紅外光譜分析結(jié)果和分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果的指導(dǎo)下，構(gòu)建了與天然珍珠層非常相似的SF珍珠層。這些絲蛋白為基礎(chǔ)的珍珠是堅(jiān)固和韌性，他們的強(qiáng)度和韌性甚至優(yōu)于天然的外殼。此外，SF珍珠層可以調(diào)制激光偏振，產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)顏色。它也可以使用極端的納米制造技術(shù)進(jìn)行處理。生物相容性、機(jī)械魯棒性、良好的加工性和可調(diào)著色使SF珍珠層可以被用作塑料的替代品，用于結(jié)構(gòu)工程和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，為這種可植入設(shè)備的臨床轉(zhuǎn)化提供了有前途的進(jìn)展。特別是，由于結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性之間的一致性，生產(chǎn)輕質(zhì)、機(jī)械強(qiáng)、韌性以及生物相容性材料在生物材料工程中仍然是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。然而，這種生物材料迫切需要在廣泛的領(lǐng)域，如再生醫(yī)學(xué)和生物結(jié)構(gòu)支持工程。 原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s42765-022-00171-6 |
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