丝素蛋白纤维材料

第五节丝素蛋白纤维材料

丝素是一种动物蛋白质，它作为纤维材料，在纺织领域中具有无可比拟的优越性。随着科学技术的进步和人们对蚕丝结构、性质研究的不断深入，丝素在生物材料及医药领域中的应用越来越引人注目。丝素蛋白具有良好的透气性、生物可降解性及生物相容性，其超微结车幻能j融杆伽话府人体的木几伙媚鲴|天lIH，经素譬白可用椎丰术燎缚陷形眼镜、人工皮肤、保健品和护肤品等，还可以与其他材料混合制作人工肌肉。丝素具有独特的氨基酸组成和丝朊蛋白的二级结构，并且，其中部分氨基酸对人体具有保健、医药功效，丝素上所带的甘氨酸，具有降低人体血液中胆固醇浓度的功能，特别是丙氨酸具有促进乙醇代谢的功能，酪氨酸具有预防痴呆症的功能，具有很好的预防和保健作用，符合人们生活水平不断提高的要求。

丝素蛋白，作为生物医药材料的研究正在不断深入，特别是在创面覆盖材料、药物释放材料、活性酶的载体及其生物传感器及智能材料的应用、生物材料、保健材料等方面的研究已取得了一定的进展，还要进一步研究和开发。

一、丝素膜的制备

1．丝素蛋白溶液及丝素膜的制备

取茧壳、废蚕丝按l：100的比例加人含有重量比1％的丝绸精练剂和0．2％无水碳酸钠的溶液中，在94～98。C处理60min，重复操作一次，取出脱胶后的丝素，用蒸馏水充分洗涤，然后提纯。

将提纯的丝素加人氯化钙、乙醇、水(1：8：2摩尔比)的溶液中，加热直至丝素完全溶解，然后，把溶解后的丝素溶液放入透析膜袋中，透析去除钙离子、氯离子，得到再生丝素溶液，再将丝素溶液浇在聚乙烯板上，经低温干燥即制成丝素膜。

这样制得的丝素膜主要结构是丝素I型，不稳定，需用80％甲醇或2．5％戊二醛适当处理，促进膜由丝素I型向丝素Ⅱ型转化，即交联，使膜的水溶性下降，稳定性提高，应用性能得到一定改善。

2．丝素酶膜及药物膜的制备

丝素酶膜的制备有包埋法和共价法两种方法：

包埋法：采用Asakura法制备，将药物、各种活性酶按一定比例加入再生丝素溶液中，混合均匀铺在聚乙烯板上干燥成膜，将酶膜用80％甲醇或2．5％戊二醛进行处理，即制得不溶性的丝素酶膜、丝素药膜。这种方法制得的酶膜、酶分子被包埋在丝素载体内。

共价法：采用Thomas法制备，将丝素膜用2．5％的戊二醛溶液活化后，把各种活性酶溶液按一定比例点在丝素膜上，干燥交联成膜。

二、丝素蛋白作为生物活性物的载体及应用

丝素蛋白的基本用途是，将丝素基础材料用生物技术来固定酶、抗体、抗原、动物细胞、微生物等活性物质。如酶在水中常温常压的稳定状态下，是良好的化学反应的催化剂，但是，酶极不稳定，对热、pH值等外界条件的变化较敏感，遇到一些杂菌极易失活，因此，必须将酶进行固定。丝素材料能够用来固定酶是由丝素独特的结构决定的，丝素非结晶构造中，以酪氨酸、天门冬氨酸、谷氨酸组成的序列可以称为反应的活性部位，它们含有的大量的活性基团(如羟基、羧基、氨基等)不仅与分子内的氢键结合有关，而且处于反应的活性状态，可以通过共价结合成为酶固定的反应位置。此外，丝素的结晶构造主要由丝素I和丝素Ⅱ组成，当水溶性的丝素I结构向不溶性的丝素Ⅱ结构转化时，不需要任何交联剂，通过改变其溶剂、温度、pH值等外界条件即可实现，基于丝素蛋白的这一特性，其特别适合作为固定化酶的材料。

1．丝素蛋白作为生物活性物的载体

丝素蛋白作为固定化酶的载体具有以下几方面的优点：再生丝素来源广泛，丝素蛋白对人体无毒、无害，且具有一定的营养、保健功效；固定化酶的工艺简单，不需要任何交联剂；用丝素蛋白作载体，既可以防止霉外溶，又给霉提供了足够的自由度；固定化霉的米氏常数比游离酶小，作用时对底物的亲和力增加；酶被丝素蛋白固定化以后活性和稳定性均有所提高，酶的寿命大大延长，使用效率显著提高。

在丝素蛋白材料作为酶载体的研究方面较为成功的丝素固定化酶主要有以下几种：

安徽农业大学黄辰等利用丝素蛋白固定活性酶及酶膜特性的一系列研究，采用共价法及包埋法制备了丝素膜固定化葡萄糖氧化酶、丝素膜固定化青霉素酰化酶、丝素膜固定化乳酸氧化酶等。对这三种丝素膜酶通过生物性能测试发现，均比溶液酶具有更高的热稳定性、pH值稳定性及贮存稳定性。丝素固定化葡萄糖氧化酶的最适宜温度由溶液酶的40℃上升到50℃，溶液酶50℃开始失活，70℃迅速失活，而以丝素作为固定化酶载体采用共价法和包埋法制得的酶膜，在501、处理100rain后活力仍保持84％和74．1％，70℃处理60rain后，分别保持73．6％和65％的活力，而且米氏常数比溶液酶低，是溶液酶的l／13，说明固定化酶在催化反应时对底物的亲和力比溶液酶大大提高了。另外，利用丝素蛋白为基质还可研制丝素固定化糖化酶、丝素固定化过氧化氢酶、丝素固定化果胶酶等。此外，还有采用共价法和包埋法制成了丝素固定化P一葡萄糖苷酶及丝素固定化尿酸酶。这些固定化酶与游离酶相比，将酶固定在丝素蛋白膜上可以有效地提高酶的热稳定性、pH值稳定性、操作稳定性及贮存稳定性，可使酶反应在较高的温度下进行，提高酶促反应的速度，最佳pH值基本都向中性转移，可使反应在中性或接近中性的条件下进行，有利于控制酶促反应向预期方向进行，提高了酶对外界不良条件的抵抗能力。

2．丝素蛋白固定化酶膜的应用

固定化酶膜及其生物传感器在临床医学、细胞培养、食品检验等方面具有广泛的应用。许多专家学者在丝素膜为载体的各种酶膜的同时，采用丝素蛋白酶膜为基础，组建了生物传感器。生物传感器是一种以生物活性单元(如酶等)作为敏感基元，对被分析物具有高度选择性的现代化分析仪器。生物活性酶的固定化是几乎所有类型的生物传感器制备过程中必须的步骤。目前，研制或已开发使用的丝素酶膜传感器主要有丝素固定化葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、乳酸氧化酶、过氧化物酶、脲酶、尿酸酶等生物传感器。另外，纯丝素在干燥状态下或有机溶剂中易变脆，如果将蚕丝蛋白与其他高分子材料复合(如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、海藻酸钠、纤维素及其衍生物等)，可以克服这一缺陷，既保持了丝素蛋白的优点，又发挥了高分子材料的优良性能，使丝素膜的吸水性和力学性能有～定程度的改善，如复旦大学子同隐教授研究小组研制的以丝素、聚乙烯醇复合材料制备的丝素／聚乙烯醇固定化葡萄糖氧化酶生物传感器等。

丝素固定化葡萄糖氧化酶生物传感器能够快速、准确地用于血清测定、糖尿病人尿液、血液中的葡萄糖测定，丝素固定化葡萄糖脱氢酶电用于人体血清中葡萄糖的测定。还有，葡萄糖氧化酶～丝素膜生物传感器及尿酸酶一丝素膜生物传感器可以准确地测定血清中脲、尿酸的含量以及尿液中尿酸的含量。另外，采用丝素蛋白复合材料对脲激酶进行固定，用于对一IS,血管疾病、脑梗塞等突发性疾病进行定量分析，对临床用药量进行有效评定具有重要意义。丝素酶膜生物传感器对细胞的培养起着重要的作用，随着细胞培养技术的发展，人们越来越重视采用生物反应器来大规模培养基因重组细胞以生产高值大分子生化药物，因此，快速又准确地分析、控制细胞培养过程非常重要。而在细胞培养中，葡萄糖和乳酸是细胞生长的主要因素，葡萄糖促进细胞的生长，乳酸又会抑制细胞生长，甚至杀伤细胞，因此，测定细胞培养液中乳酸和葡萄糖含量的变化是细胞培养中不可缺少的工作。用丝素固定化葡萄糖酶膜、乳酸氧化酶膜制定的生物传感器可以准确、有效地测定细胞培养过程中的葡萄糖和乳酸的含量，以便及时地添加培养液和补充氧气。