实验室到生物医学应用的突破：无添加剂电纺再生丝素蛋白非织造布

摘要

丝素蛋白（Silk Fibroin）因其优异的生物相容性、可控降解性和高机械强度，被视为组织工程和再生医学的理想材料。然而，传统电纺丝技术需依赖添加剂（如聚环氧乙烷，PEO）调节溶液粘度和导电性，但这些添加剂可能残留在成品中，增加生物安全风险。本研究首次系统探索了无添加剂电纺再生丝素蛋白非织造布的可行性，通过调控温度（25–35°C）和相对湿度（25–30% RH）等工艺参数，优化纤维形态与机械性能。实验表明：30°C、25% RH下，纤维直径最均匀（998±63 nm），抗穿刺力最高（0.20 N）。甲醇浸泡显著提升纤维均一性（直径标准差降低50%）和机械稳定性。所有样品均通过细胞毒性测试，证实其适用于生物医学领域。

一、添加剂（PEO）的替代方案

初步实验发现，传统电纺需添加PEO（比例4:1）以稳定泰勒锥（Taylor Cone），但混合溶液易分层（5分钟内分解）。通过溶剂蒸发法将丝素浓度提升至45 wt%，成功实现无添加剂电纺丝素蛋白非织造布（图1）。

图1 由不同浓度的纯丝素溶液在22℃和30 RH下制成的非织造布

二、温度与湿度的影响

纤维形貌：25°C、30% RH：纤维表面液滴增多，直径标准差大。35°C、30% RH：纤维直径差异最大（418 nm），结构松散。30°C、25% RH：纤维最均匀（998±63 nm），无缺陷（图2）。

图2 不同温湿度下的丝素蛋白纤维SEM图像

高温（35°C）导致溶剂蒸发过快，纤维表面硬化不均；高湿度（30% RH）抑制溶剂挥发，纤维固化不完全。抗穿刺力：30°C、25% RH下最高（0.20 N），35°C、30% RH最低（0.11 N）。厚度与伸长率：高温高湿环境下，非织造布厚度增加（106 μm），但机械强度下降。

三、甲醇后处理的提升效果

甲醇处理使纤维直径增加2~20%，但标准差降低50%，孔隙率下降，纤维间结合更紧密（图3）。甲醇诱导β-片层结晶，增强非织造布的结构稳定性，便于从收集板上剥离。

图3 甲醇处理前后的纤维直径

四、生物相容性验证

细胞毒性实验表明：纯丝素蛋白非织造布的细胞代谢活性与阴性对照组（TCC）无显著差异（p>0.05），远高于阳性对照组（含ZDEC的聚氨酯膜）。染色显示，纤维表面细胞存活率>95%，形态舒展，无毒性迹象（图4）。

图4 丝素蛋白非织造布的细胞毒性结果

结论

本研究证实，通过精确控制温湿度（30°C、25% RH）和溶剂蒸发法提升丝素浓度，可完全替代传统添加剂，制备出高均一性、高生物相容性的丝素非织造布。未来研究方向包括：

（1）工艺扩展：测试更低温度（<25°C）或更高浓度（>50 wt%）的可行性。

（2）生产效率提升：探索同轴电纺或针头阵列技术，实现大规模生产。

（3）功能化改性：结合聚己内酯（PCL）等材料，进一步优化机械性能与生物活性。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.01.010

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