陳思皓 舒 浩 劉祖蘭 李 智 代方銀，2

(1.重慶市生物質纖維材料與現代紡織工程技術研究中心， 西南大學紡織服裝學院， 重慶 400716；2.農業(yè)部蠶桑生物學與遺傳育種重點實驗室， 西南大學生物技術學院， 重慶 400716)

絲素蛋白/瓊脂糖水凝膠的制備及性能研究*

陳思皓1舒 浩1劉祖蘭1李 智1代方銀1，2

(1.重慶市生物質纖維材料與現代紡織工程技術研究中心， 西南大學紡織服裝學院， 重慶 400716；2.農業(yè)部蠶桑生物學與遺傳育種重點實驗室， 西南大學生物技術學院， 重慶 400716)

本研究利用絲素蛋白與不同濃度的瓊脂糖混合的方法，制備成絲素蛋白/瓊脂糖混合水凝膠，這種多孔結構的水凝膠，硬度最高可達1 050g，吸水溶脹率可高達700%，表明瓊脂糖/絲素蛋白混合水凝膠具有良好的結構和力學性能，可以用于載藥、皮膚敷料、骨組織再生等領域的進一步研究。

絲素蛋白；瓊脂糖；混合水凝膠；力學性能

水凝膠是一種以水為分散介質的凝膠，具有三維網狀結構，是在親水作用或疏水作用下通過交聯形成，因此具有優(yōu)異的力學性質[1-3]。水凝膠具有獨特的內部結構和優(yōu)異的性能，與生物體內的環(huán)境十分相似[4]，因此，水凝膠廣泛應用于創(chuàng)傷愈合、藥物緩釋、骨組織再生、十字韌帶的修復等領域[5-7]。絲素蛋白是蠶絲的重要組成部分，具有良好的生物相容性及生物降解性能，適用于生物醫(yī)用材料領域[8-9]。絲素蛋白水凝膠由于其優(yōu)異的力學性質，良好的生物相容性以及無細胞毒性等優(yōu)勢引起了廣泛的關注，但由于其凝膠條件困難，加大了制備的難度，很大程度上限制了絲素蛋白水凝膠的應用[10]。為了解決絲素凝膠成膠條件困難的問題，本文引入瓊脂糖來制備絲素蛋白水凝膠。瓊脂糖是線性的多聚物，一般在90℃時溶于水，溫度下降到37℃時形成穩(wěn)定的水凝膠結構。瓊脂糖水凝膠作為天然水凝膠具有細胞無毒性，材料成本低，成膠方法簡便等優(yōu)點[11-13]。本文利用絲素蛋白溶液和不同濃度的瓊脂糖溶液混合制備成穩(wěn)定的水凝膠，并研究了制備的混合水凝膠的結構及性能，為絲素蛋白水凝膠的制備提供了一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

絲素蛋白粉(西安澤朗圣物科技有限公司)、瓊脂糖(HydraGene Co.,Ltd.)、PBS緩沖粉末pH7.3(無錫傲銳東源生物科技有限公司)。

1.2 實驗儀器

HH-4數顯恒溫水浴鍋、BSA124S-CW電子天平、傅立葉變換紅外光譜儀(型號ALPHA)、冷凍干燥機(16A000599，28541014，Lyyoquest55，81811.03，45-410，2016-01-14)、HPX-9162MBE電熱恒溫培養(yǎng)箱(上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠)、微波爐、TAXT2i-物理構造儀, JSM-6610掃描電子顯微鏡(SEM)。

1.3 試驗方法

1.3.1 混合水凝膠的制備

稱取瓊脂糖0.5g于100mL錐形瓶中，加入50mL PBS溶液，微波加熱溶解，得到1.00%瓊脂糖溶液，用同樣的方法制得0.50%，0.25%，0.10%的瓊脂糖溶液；將不同濃度的瓊脂糖溶液與2.5g的絲素蛋白粉末混合，倒入平板冷卻，制備成5.00%絲素蛋白水凝膠。

1.3.2 冷凍干燥凝膠的制備

將制備好的凝膠冷凍干燥，制得凍干凝膠。

1.3.3 表觀形貌測試

將樣品用導電紙粘在樣品臺上，進行噴金處理，采用電子掃描顯微鏡(SEM)對樣品的表觀形貌進行觀察，電壓為150KV。

1.3.4 力學性質測試

通過質構儀檢測凝膠的力學性質，測試參數為：測試速度2.0mm/s，測后速度0.8mm/s，刺距離20%，數據采集速率200pps，探頭P0.5。

1.3.5 溶脹率測試

稱取凍干后凝膠的質量，于室溫下放入PBS溶液中，使凝膠完全浸沒，分別在2.5min，5min，10min時稱凝膠質量，之后每隔10min測一次凝膠的質量，直到凝膠的質量不再變，實驗在同一條件下測試三次。同理，在37℃、45℃下分別測試凝膠的溶脹率。溶脹率通過下列公式計算：

溶脹率(%)=(Ws-Wd)/Wd*100

式中，Ws溶脹凝膠的質量；Wd為凍干凝膠的質量。

2 結果與分析

2.1 水凝膠的結構

通過電子掃描顯微鏡觀察制備的不同瓊脂糖濃度的絲素蛋白/瓊脂糖水凝膠的結構，如圖1所示，選取了具有代表性的瓊脂糖濃度為0.25%和0.50%的凝膠電鏡圖，表明凝膠成三維多孔狀，隨著瓊脂糖濃度的升高，混合凝膠的孔徑變小，孔洞變多。從圖中可以看出當瓊脂糖濃度為0.25%時孔徑約為80um，而當瓊脂糖濃度升高到0.50%時，凝膠的孔徑則縮小到約50um，并且在相同體積內擁有更多的孔洞，有利于形成更為穩(wěn)定的凝膠。

(A)瓊脂糖0.25%；(B)瓊脂糖0.50%

2.2 力學性質分析

質構數據如圖2所示，0.10%和0.25%濃度樣品的力學性質較差，無法達到質構測定的要求，而含0.50%瓊脂糖的絲素蛋白水凝膠的強度約為286g，1.00%瓊脂糖的絲素蛋白水凝膠則達到了約1 050g，瓊脂糖增加了0.50%，硬度則增加了3倍多，這表明瓊脂糖的含量的多少，很大程度的影響著混合水凝膠的機械性能。同時，1.00%瓊脂糖濃度的混合水凝膠膠凝性達到了約700g，而0.50%瓊脂糖濃度的混合水凝膠膠凝性約為200g，膠凝性也提高了3倍多，這表明隨著瓊脂糖濃度的增加形成了更為緊密的網狀結構。

(A)強度；(B)膠凝性

2.3 溶脹行為

水凝膠是一種水為介質的三維網狀結構，通常具有很強的吸水性，因此測試它的溶脹行為是一個十分重要的表征。不同溫度下樣品在PBS的溶脹行為如圖3所示，由于0.10%和0.25%濃度樣品力學性能較差，難以在PBS中重新吸水形成完整的凝膠，所以無法進行測試，圖中為0.50%和1.00%瓊脂糖濃度水凝膠的溶脹曲線。從圖中可以看出0.50%和1.00%瓊脂糖濃度的水凝膠在55min左右都能達到溶脹平衡，前10min吸水速率很快，溶脹率約為300%，溶脹率最高可達700%。隨著瓊脂糖濃度的提高，溶脹率也會隨之升高，這是因為瓊脂糖的加入，使水凝膠的結構更加緊密，形成了更多的孔洞及更小的孔徑，這也是力學性能增加的原因。同樣隨著溫度的提高，凝膠的溶脹率也有相應升高。

(A)1.00%濃度樣品；(B)0.50%濃度樣品

3 結論與討論

本研究利用絲素蛋白與不同濃度的瓊脂糖混合制備為混合水凝膠，通過SEM觀察發(fā)現制備的混合水凝膠具有三維多孔結構，隨著混合水凝膠中瓊脂糖濃度的增加，形成的孔徑減小，而力學性能和吸水能力有所增加。本研究表明，瓊脂糖與絲素蛋白混合可以制備出性能較好的絲素蛋白/瓊脂糖水凝膠，可以用于載藥、皮膚敷料、骨組織再生等領域的進一步研究。

[1] 劉群峰, 原波. 多肽水凝膠的研究進展[J].現代化工, 2011,31(2):29-33.

[2] 宋福來, 邵凱, 劉萬順, 等. 殼聚糖即型水凝膠的理化性質、止血功能和生物相容性研究[J].功能材料, 2014,45(9):9065-9069.

[3] 張芳. 生物表面活性劑誘導絲素蛋白水凝膠的研究[D].蘇州大學, 2015.

[4] 常春雨. 新型纖維素、甲殼素水凝膠的構建、結構和性能[D].武漢大學, 2011.

[5] LI H, FAN J, SUN L, et al. Functional regeneration of ligament-bone interface using a triphasic silk-based graft[J].Biomaterials, 2016, 106:180-192.

[6] KUNDU B, RAJKHOWA R, KUNDU S C, et al. Silk fibroin biomaterials for tissue regenerations[J].Advanced drug delivery reviews, 2013, 65(4): 457-470.

[7] NG V W L, CHAN J M W, SARDON H, et al. Antimicrobial hydrogels: A new weapon in the arsenal against multidrug-resistant infections[J].Advanced drug delivery reviews, 2014, 78:46-62.

[8] MOTTAGHITALAB F, FAROKHI M, SHOKRGOZAR M A, et al. Silk fibroin nanoparticle as a novel drug delivery system[J].Journal of controlled release : official journal of the Controlled Release Society, 2015, 206:161-176.

[9] KOH L-D, CHENG Y, TENG C-P, et al. Structures, mechanical properties and applications of silk fibroin materials[J].Progress in Polymer Science, 2015, 46:86-110.

[10]HUANG L, LI C, YUAN W, et al. Strong composite films with layered structures prepared by casting silk fibroin-graphene oxide hydrogels[J].Nanoscale, 2013, 5(9): 3780-3786.

[11]朱琳, 賀健康, 劉亞雄, 等. 瓊脂糖/膠原復合水凝膠的制備及性能研究[J].西安交通大學學報, 2013, 47(10): 121-126.

[12]KARIM A, HALL A C. Chondrocyte Morphology in Stiff and Soft Agarose Gels and the Influence of Fetal Calf Serum[J].Journal of cellular physiology, 2017, 232(5): 1041-1052.

[13]SINGH Y P, BHARDWAJ N, MANDAL B B. Potential of Agarose/Silk Fibroin Blended Hydrogel for in Vitro Cartilage Tissue Engineering [J]. ACS applied materials & interfaces, 2016, 8(33): 21236-21249.

Research on the Preparation and Property of Silk Fibroin / Agarose Gel

CHEN Si-hao1SHU Hao1LIU Zu-lan1LI Zhi1DAI Fang-yin1,2

(1.ChongqingEngineeringResearchCenterofBiomaterialFiberandModernTextile,CollegeofTextileandGarment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China;2.KeyLaboratoryofSericulturalBiologyandGeneticBreeding,MinistryofAgriculture,CollegeofBiotechnology,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China)

In this research, the silk fibroin/agarose gel was produced based on the method that mixed the Silk fibroin with the agarose with varied concentration. This kind of hydrogel with the vesicular structure has the hardness up to 1 050g, the swelling rate as high as 700%, which suggest that the hydrogel of silk fibroin/agarose has an excellent structure and mechanical property. These results showed that the produced hydrogel owns the potential for further research on drug loading, skin dressing and bone regeneration, etc.

Fibroin; Agarose； Mixed hydrogel; Mechanical property

*資助項目：863計劃項目(2013AA102507)；現代農業(yè)產業(yè)技術體系項目(CARS-22)。

陳思皓(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：纖維材料與工程。

代方銀，教授，博士生導師。E-mail：fydai@swu.edu.cn