题目：Multifunctional Hydrogel Based on Silk Fibroin Promotes Tissue Repair and Regeneration
期刊：Advanced Functional Materials
影响因子：18.5
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405255
汇报人：郭旭华 2023 级硕士
创造具有强大的承载能力并适应复杂组织再生的功能性水凝胶仍然具有挑战性。丝素蛋白（SF）是一种具有优异机械强度和细胞粘附能力的天然生物材料，具有解决上述困境的巨大潜力。优异的生物降解性和生物相容性以及具有多个可修饰部分的分子结构为水凝胶的可注射性和多功能性提供了机会。此外，其他聚合物或活性成分的掺入可以改善水凝胶的基本性能，赋予其生物活性和药理作用，并为水凝胶满足特定要求提供先决条件。因此，SF基水凝胶被广泛应用于组织修复和再生，特别是在骨骼、皮肤、神经、肝脏、心肌和角膜等方面，有效解决了支架缺乏细胞粘附位点、过度降解等问题。由于缺乏有效、持久的抗菌特性。推文概述了SF的性质，讨论了常用于制备水凝胶的材料类型及其特性，并描述了当前SF水凝胶的构建方法。同时，探索了基于SF的多功能水凝胶在生物组织中应用的最新进展，重点关注其在组织修复中的作用，强调了基于骨骼和皮肤的SF的修复机制。
研究背景：近几十年来，由创伤、感染、药物、疾病和先天性畸形等各种原因导致的组织缺损显著影响了患者的生活质量。器官捐赠者的短缺和器官排斥的风险给提供及时和充分的治疗带来了挑战。与此同时，替代疗法往往无法完全再生或替代受损组织，这是一个长期的临床挑战。组织工程已经成为解决由疾病、创伤和衰老引起的组织和器官损伤的一种有前途的解决方案，为再生医学提供了充满希望的前景。在组织工程中，水凝胶由于其水合作用、模拟活体人体组织环境的能力以及可定制的物理和生化特性而作为用于组织再生的有前途的生物材料而获得了突出地位。例如，与不同肽偶联的异质葡甘露聚糖水凝胶通过诱导M2巨噬细胞极化以减少炎症和促进血管生成，根除了细菌感染并显著修复了由耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染或糖尿病溃疡损伤的组织。根据材料来源，水凝胶可分为天然水凝胶和合成水凝胶。通常，天然水凝胶由生物材料如明胶、壳聚糖(CS)、海藻酸钠、透明质酸和胶原组成，其固有地具有生物相容性和生物可降解性，但缺乏刚性和弹性；合成水凝胶通常由聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAAM）、聚己内酯（PCL）和其他化学合成材料组成，其特点是承载能力高，但缺乏生物活性和生物相容性差。在为具有高机械强度和复杂内部结构的大型生物组织（如软骨、心脏和肝脏）构建纯水凝胶材料方面，这两种类型的水凝胶材料仍然存在一些挑战。因此，为了同时制备具有足够刚性和生物活性的水凝胶，丝素蛋白（SF）的独特性质在再生医学领域引起了相当大的关注。SF，从家蚕中提取，是一种天然高分子纤维蛋白，其性质是由多种蛋白分子通过二硫键形成的复合物。SF不仅具有生物相容性和可生物降解性，而且具有独特的复杂分级结构，在组织再生领域开辟了新的途径。即高含量的β折叠结构决定了其良好的机械强度和回弹性；分子中独特的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列促进细胞粘附，调节细胞行为；活性氨基酸侧链可以为其他物质的接枝提供附着位点。明胶基水凝胶中SF含量的逐渐增加导致压缩模量高达384±43.0 kPa，在800次加载-卸载循环后保持在初始状态，这有力地证实了SF的掺入赋予水凝胶强大的机械性能和弹性，以适应复杂组织的动态修复过程。类似地，SF的强大机械性能在PEG-SF水凝胶研究中得到了再次证实。与非桑蚕丝和蚕丝相比，纯化的SF促进了细胞沉积，并显示出促进体外软骨形成的显著能力。SF的可改性性为水凝胶的多功能化提供了广阔的平台，其中特定功能侧链上的羟基、胺、羧基和硫醇基团可以结合或生物分子，如Apt19s、具有多个酚羟基的单宁和甲基丙烯酸甲酯基团，来调节水凝胶的物理化学性质（例如，孔隙率、凝胶化速率、适体递送、刺激反应性质），以赋予生物支架各种功能，如药理活性和细胞向性调节，以满足大规模组织的复杂修复需求。除了上述优势，其他关键特性，如高可用性、导电性和简单通用的制备方法，已经诱导了SF在临床手术缝合、药物和基因递送、组织修复和电子传感领域的应用。综上所述，基于SF的水凝胶可以有效解决传统聚合物水凝胶特异性不足的困境，在组织修复领域显示出巨大的潜力和应用前景。
1， SF的来源
图1 丝素蛋白（SF）的链构型和构象示意图。
2，SF的提取
图2 不同层次丝绸构件的提取程序示意图。
3 SF水凝胶的制备
图3 丝凝胶化和不同的交联方法
图4 示意图显示了形成HRP和BDDE丝水凝胶的交联过程和机制。
SF源自家蚕茧，具有令人惊讶的优势：高可用性、优异的生物相容性、可调节的生物降解性、机械性能，以及多样化和简单的制备工艺。这些独特的性能使SF成为生物医学领域的一颗明珠。特别是，SF的掺入为柔性水凝胶带来了一定程度的刚性，为进一步的功能化提供了良好的基础。通过对SF或水凝胶表面的部分进行精细改性，或将其与其他添加剂（如树胶、糖、无机矿物质、细胞、活性物质等）络合，可以有效改善SF或水凝胶的基本性能或赋予其多种功能。尽管关于SF水凝胶有大量的知识和基础研究，但仍有一些挑战值得深入探索和深入研究。