作為從蠶繭中提取的天然聚合物，絲素蛋白（SF）由于其顯著的力學(xué)性能、可控的生物降解、和生物相容性，顯示出作為生物醫(yī)學(xué)材料的巨大應(yīng)用潛力。SF具有三種晶體結(jié)構(gòu)，其中最穩(wěn)定的是反平行β-折疊結(jié)構(gòu)。β-折疊作為網(wǎng)絡(luò)的物理交聯(lián)點，在SF水凝膠的形成中起關(guān)鍵作用。然而，由外部誘導(dǎo)的β-折疊交聯(lián)的SF水溶液的凝膠化通常需要很長的時間，并且需要相對嚴(yán)格的條件，這限制了它們的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用可能性。

天津大學(xué)的劉文廣教授團(tuán)隊提出了一種簡單直接的策略，通過食品和藥物管理局批準(zhǔn)的一種生物相容性好的氨基酸表面活性劑——乙基月桂酰精氨酸鹽酸鹽（LAE）誘導(dǎo)SF的超快速凝膠化。在60°C下，凝膠化時間短至15秒；在體溫附近也在1分鐘內(nèi)凝膠。揭示了SF超快速凝膠化的獨特途徑和熱力學(xué)，說明了β-折疊超快速的完全去折疊、異相成核結(jié)晶和更快速的形成對SF的超快速組裝的重要性。并首次利用LAE誘導(dǎo)的原位超快速凝膠化機(jī)制制備了可注射的抗菌生物降解止血水凝膠，用于治療不可壓迫性肝出血。該工作以題為“Amino Acid Surfactant-Induced Superfast Gelation of Silk Fibroin for Treating Noncompressible Hemorrhage”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

【SF-LAE水凝膠的合成與表征】

選擇了LAE、月桂酰谷氨酸鈉（SLG）、十二烷基硫酸鈉（SDS）和水合膽酸鈉（SC）四種表面活性劑進(jìn)行比較，凝膠時間呈現(xiàn)出溫度、表面活性劑濃度和SF濃度依賴性的變化趨勢，并且凝膠時間隨著溫度的升高以及SF和表面活性劑濃度的升高而減小。與其他表面活性劑相比，LAE可以以更快的速度誘導(dǎo)SF凝膠化，并且凝膠化時間在體溫附近減少到小于1分鐘。

圖1：SF-LAE水凝膠和海綿的合成路線及止血應(yīng)用示意圖

圖2：SF的凝膠化過程研究

【LAE誘導(dǎo)的超快凝膠化機(jī)制】

較高濃度的SF和表面活性劑可以促進(jìn)β-折疊的快速形成，更多地誘導(dǎo)β-折疊作為物理交聯(lián)劑形成致密的水凝膠網(wǎng)絡(luò)。幾種表面活性劑都誘導(dǎo)了β-折疊的形成，其中SF-LAE水凝膠表現(xiàn)出最強(qiáng)的β-折疊特征峰。且LAE有助于在溶液內(nèi)形成大量富含β-折疊的成核。通過高靈敏度檢測痕量β-折疊的形成，觀察到LAE系統(tǒng)中顯著的下降，這可以用SF的超快和完全展開來解釋。對比均相成核的常規(guī)路徑，這種完全展開狀態(tài)可以降低能壘導(dǎo)致多步成核路徑。

圖3：絲素蛋白超快凝膠化的途徑和熱力學(xué)示意圖

【SF-LAE-H水凝膠的止血應(yīng)用】

選擇20 wt.% SF和15 wt.% LAE的水凝膠（SF-LAE-H）用于止血實驗，實驗溫度設(shè)定為42℃。SF-LAE-H可以很好地適應(yīng)不規(guī)則形狀的傷口，且不會在體內(nèi)重新膨脹以壓迫傷口。在大鼠肝穿透損傷模型中評估止血效果。SF-LAE-H前驅(qū)體溶液注入傷口后及時凝固，最終實現(xiàn)完全止血。與對照組相比，SF-LAE-H的失血量最少，止血效果最好。止血完成后取出水凝膠沒有血液流出，表明水凝膠不僅可以通過物理阻斷來止血，還可以刺激內(nèi)在的止血途徑。

圖4：SF-LAE-H的體內(nèi)止血作用

【SF-LAE-S海綿的合成、表征與應(yīng)用】

由于SF前驅(qū)體溶液和LAE混合過程會產(chǎn)生大量的氣泡，將氣泡穩(wěn)定能力與超快凝膠效應(yīng)相結(jié)合，構(gòu)建了一種不對稱多孔海綿，用于治療不可壓迫止血的大出血。由于浮力和重力作用，更多的大氣泡向上移動，而較少的小氣泡留在水凝膠的下部，從而形成上層松散下層密集的多孔水凝膠。進(jìn)一步冷凍干燥，得到具有不對稱孔的SF-LAE-S海綿。其上部的大孔可以排出血液，下部的密集孔可以防止血液流出以封閉傷口。在兔肝臟穿透損傷模型中評估SF-LAE-S的體內(nèi)止血性能，SF-LAE-S組的總失血量和失血時間明顯低于其他組，表明其作為止血材料的潛力很大。此外，SF-LAE-H與SF-LAE-S都具有出色的抗菌效果和體內(nèi)可降解性。

圖5：SF-LAE-S的體內(nèi)止血作用

【小結(jié)】

綜上所述，該工作證明了氨基酸表面活性劑LAE可以在室溫下誘導(dǎo)SF水溶液的超快凝膠化。提出了三個重要因素決定了水溶液中的超快SF組裝：首先，由陽離子LAE和SF之間的靜電締合誘導(dǎo)的SF的超快速和完全展開導(dǎo)致更多地轉(zhuǎn)化為新的β-折疊；其次，過量的SF導(dǎo)致異質(zhì)成核種子；異質(zhì)成核發(fā)生在較低的能壘處，β-折疊聚集加速了水凝膠的形成。這種獨特的機(jī)制將SF在體溫的凝膠化時間縮短到小于1分鐘。根據(jù)該機(jī)制構(gòu)建了一種可注射的抗菌生物可降解止血水凝膠，用于治療不可壓迫止血的內(nèi)出血，有望成為一種適用于緊急情況下控制出血的止血劑，且可以用于指導(dǎo)開發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的新型SF水凝膠。