摘要
高性能非絲蛋白纖維因其高可獲得性和生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中備受關(guān)注。然而，其結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致纖維的強(qiáng)度與韌性難以平衡，限制了實(shí)際應(yīng)用。本文提出一種基于蛋白質(zhì)鏈纏結(jié)增強(qiáng)的策略，通過重構(gòu)羊毛角蛋白（keratin）與牛血清白蛋白（BSA）復(fù)合纖維，利用其天然半胱氨酸氧化形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，無需外部交聯(lián)劑。所制備的拉伸角蛋白/BSA復(fù)合纖維（DKBF）表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，斷裂強(qiáng)度約250 MPa，韌性約70 MJ m?3，優(yōu)于已報(bào)道的再生角蛋白纖維，與多種天然或人工絲纖維相當(dāng)。此外，DKBF具有氧化還原響應(yīng)力學(xué)行為和水合誘導(dǎo)形狀記憶特性，并展現(xiàn)出良好的生物可吸收性和免疫相容性，適用于手術(shù)縫合。該研究為開發(fā)兼具高強(qiáng)度、高韌性和生物相容性的非絲蛋白纖維提供了新思路。
引言
蛋白質(zhì)工程材料憑借其優(yōu)異的生物相容性和可降解性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，纖維力學(xué)中強(qiáng)度與韌性的固有矛盾導(dǎo)致材料性能失衡。天然絲蛋白（如蜘蛛絲）通過β-片層與無定形基質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌平衡，但其體內(nèi)降解周期過長（約2年），難以滿足手術(shù)縫合等短期需求。非絲蛋白（如角蛋白）雖來源豐富且生物相容性高，但其再生纖維常因α-螺旋結(jié)構(gòu)和二硫鍵密集交聯(lián)導(dǎo)致高強(qiáng)低韌?，F(xiàn)有研究通過添加聚合物或化學(xué)交聯(lián)劑改善性能，但存在生物相容性差或降解性不足等問題。
本研究提出通過蛋白質(zhì)鏈纏結(jié)策略，利用尿素/二硫蘇糖醇（DTT）展開角蛋白與BSA，促進(jìn)分子間相互作用，結(jié)合氧化交聯(lián)和拉伸取向，制備高強(qiáng)高韌復(fù)合纖維。通過調(diào)控蛋白質(zhì)比例、紡絲條件及拉伸工藝，優(yōu)化纖維的力學(xué)性能與生物功能，為可持續(xù)生物材料開發(fā)提供新途徑。
結(jié)果與討論 1. 角蛋白/BSA復(fù)合纖維的制備與結(jié)構(gòu)表征
通過濕法紡絲技術(shù)制備角蛋白與BSA復(fù)合纖維。尿素和DTT協(xié)同作用破壞蛋白質(zhì)分子內(nèi)的氫鍵和二硫鍵，使角蛋白從納米聚集體解折疊為單分子，BSA從球狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)卷曲構(gòu)象（圖1a）。紡絲液在含2% H?O?和75%乙醇的凝固浴中氧化交聯(lián)，形成致密的分子網(wǎng)絡(luò)。所得纖維（DKBF）直徑約12 μm，表面光滑，并表現(xiàn)出顯著的雙折射現(xiàn)象，表明分子高度取向（圖1d-f）。拉伸后纖維直徑從29 μm降至12 μm，β-片層含量從44.2%增至64.1%，分子取向因子從0.857提升至0.948，顯著增強(qiáng)力學(xué)性能（圖3c-e）。
2. 力學(xué)性能優(yōu)化與調(diào)控機(jī)制
復(fù)合纖維的強(qiáng)度與韌性依賴于蛋白質(zhì)比例和拉伸工藝。當(dāng)角蛋白/BSA質(zhì)量比為3:2時(shí)，未拉伸纖維（UKBF）的斷裂強(qiáng)度為119.2 MPa，韌性達(dá)98.8 MJ m?3（圖2e-f）。拉伸后DKBF的斷裂強(qiáng)度提升至249.9 MPa，韌性保持69.9 MJ m?3（圖3g）。BSA的引入平衡了α-螺旋與β-片層比例，其分子鏈纏結(jié)增強(qiáng)纖維延展性，而拉伸過程促進(jìn)β-片層重構(gòu)，提升強(qiáng)度。此外，纖維的氧化還原響應(yīng)特性使其在DTT處理下力學(xué)性能可逆變化（圖4d-e），為智能材料設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
3. 水合誘導(dǎo)形狀記憶與生物相容性
DKBF在水合狀態(tài)下發(fā)生β-片層向α-螺旋的可逆轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能（圖5a）。水合纖維的斷裂應(yīng)變超過200%，模量為13.5 MPa，表現(xiàn)出類J型應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖5f）。體外降解實(shí)驗(yàn)顯示，DKBF在彈性蛋白酶中30天內(nèi)逐步降解，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)其良好的生物相容性。動(dòng)物模型表明，DKBF縫合線在14天內(nèi)基本降解，炎癥反應(yīng)顯著低于PLGA和絲線（圖6c），并促進(jìn)膠原再生，加速傷口愈合（圖6f）。
4. 策略普適性與應(yīng)用潛力
該鏈纏結(jié)增強(qiáng)策略可擴(kuò)展至其他球狀蛋白（如大豆分離蛋白、β-乳球蛋白），復(fù)合纖維的力學(xué)性能均顯著提升。結(jié)合低成本（0.0011美元/米）與可規(guī)模化生產(chǎn)，DKBF在手術(shù)縫合、組織工程及智能驅(qū)動(dòng)器件中具有廣闊應(yīng)用前景。
結(jié)論
本研究通過蛋白質(zhì)鏈纏結(jié)與拉伸增強(qiáng)策略，成功制備了高強(qiáng)高韌的角蛋白/BSA復(fù)合纖維。DKBF的斷裂強(qiáng)度（250 MPa）與韌性（70 MJ m?3）達(dá)到天然絲纖維水平，并兼具氧化還原響應(yīng)、水合形狀記憶、快速降解和免疫相容性。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)其作為手術(shù)縫合線的有效性，為生物可吸收材料的開發(fā)提供了新范式。該策略為調(diào)控非絲蛋白纖維力學(xué)性能開辟了新途徑，有望推動(dòng)可持續(xù)生物材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。
原文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-58171-0
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