链缠结增强的强韧羊毛角蛋白 / 白蛋白纤维：用于生物可吸收且免疫相容的外科缝合线

为解决非丝蛋白纤维结构缺陷导致的强度与韧性难以平衡的问题，研究人员开展了通过链缠结增强策略制备高性能非丝蛋白纤维的研究。结果显示，所得拉伸角蛋白 / 牛血清白蛋白复合纤维（DKBF）性能优异，该研究为相关材料开发带来希望。

　　在生物医学领域，蛋白质工程材料因具备出色的生物相容性和可降解性，在制造纤维、水凝胶等方面潜力巨大，可应用于人工肌腱、外科缝合线等场景。然而，高性能蛋白质纤维面临着强度与韧性难以平衡的困境。天然丝纤维虽兼具高强度和高韧性，但其体内降解过程缓慢，例如市售丝质缝合线在体内完全降解需约 2 年，远超监管机构设定的 60 天期限。非丝蛋白在制备强韧纤维时也困难重重，像羊毛衍生的角蛋白纤维，虽强度高但韧性低。并且，一些非丝蛋白在加工过程中常需使用戊二醛等交联剂，这不仅会引发生物相容性问题，还可能降低材料在体内的可降解性。因此，开发一种能制备出兼具高强度和高韧性，且生物相容性良好的非丝蛋白纤维的方法迫在眉睫。

浙江大学的研究人员开展了一项研究，通过蛋白质链缠结增强策略，制备出由角蛋白和白蛋白构成的高性能复合纤维，相关成果发表在《Nature Communications》上。

在研究方法上，研究人员主要采用了以下几种关键技术：一是湿纺法（wet spinning），利用含有高浓度尿素和二硫苏糖醇（DTT）的变性剂溶液溶解角蛋白和牛血清白蛋白（BSA），制备混合纺丝原液，再经湿纺工艺制成纤维；二是多种表征技术，如圆二色谱（CD）光谱分析、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）等，用于分析纤维的结构、形貌和成分；三是分子动力学（MD）模拟，研究蛋白质在变性过程中的结构变化。

在研究结果部分：

1. 角蛋白 / BSA 复合纤维的湿纺制备：研究人员先从羊毛中提取角蛋白，经透析和冷冻干燥处理后，与 BSA 在尿素和 DTT 作用下形成蛋白质缠结体系。通过湿纺工艺，将纺丝原液挤出到含有过氧化氢（H?O?）和乙醇的凝固浴中，形成具有光滑表面和均匀直径（约 12μm）的 DKBF。该纤维展现出良好的双折射特性，表明分子取向有序，且打结后结构稳定，体现出高柔韧性和抗拉强度。
2. 通过蛋白质展开调节纺丝原液的分子缠结：研究发现，尿素和 DTT 能使角蛋白和 BSA 分子展开，促进分子链缠结。MD 模拟和小角 X 射线散射（SAXS）分析表明，蛋白质在变性过程中，分子构象发生变化，分子间相互作用增强，促进了缠结的形成。同时，对纺丝溶液流变学性质的研究显示，DTT 对调节分子缠结和流变行为至关重要，BSA 含量的增加能增强体系的缠结程度。
3. 通过平衡分子结构调节复合纤维的力学性能：研究人员系统研究了凝固浴条件对纤维力学性能的影响，确定了最佳凝固浴配方为 75% 乙醇、pH2.0 和 2%（w/v）H?O?。在此条件下，纤维能有效形成稳定结构。研究还发现，随着 BSA 含量的变化，纤维的拉伸应变和力学强度会发生改变，在角蛋白 / BSA 比例为 3:2 时，未拉伸的复合纤维（UKBF）具有最佳力学性能。
4. DKBF 的拉伸诱导分子结构重排：对 UKBF 进行拉伸处理，制备出 DKBF。拉伸过程使纤维直径减小，分子取向更加有序，β- 折叠结构比例显著增加，拉伸强度提升至 249.9±8.3MPa，综合力学性能优于多种天然和人造丝纤维。
5. DKBF 的机械稳定性和氧化还原触发的可逆力学性能：通过循环拉伸测试和热重分析（TGA）评估纤维的机械稳定性和热稳定性，结果表明 DKBF 具有良好的机械稳定性和接近天然羊毛的热稳定性。由于纤维中存在大量二硫键（S-S），研究人员探索了其基于 S-S 键可逆断裂的动态力学行为。实验证明，DKBF 在 DTT 处理后，二硫键断裂，力学性能下降，而在 H?O?重新氧化后，力学性能恢复，展现出良好的机械可逆性。
6. DKBF 的水合诱导力学行为：DKBF 中的 β- 折叠结构在氢键网络作用下具有动力学稳定性，使其具备形状记忆特性。水合过程中，纤维发生收缩，β- 折叠结构转变为 α- 螺旋结构，再次拉伸和干燥后，结构又恢复原状，该过程中双折射也发生可逆变化。这种特性使 DKBF 在人造肌肉和水敏织物驱动器等领域具有潜在应用价值。
7. DKBF 缝合线的体内免疫相容性和伤口闭合能力：DKBF 缝合线在体内具有良好的生物可降解性，14 天内接近完全降解，而聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物（PLGA）和丝质缝合线在 2 周内无明显降解。组织学染色显示，DKBF 缝合线引发的炎症反应轻微，能有效促进组织修复，伤口愈合效果良好。

研究结论和讨论部分指出，该研究通过增强蛋白质链缠结，成功制备出高强度和高韧性的角蛋白 / BSA 复合纤维。DKBF 展现出平衡的力学性能，其断裂强度约为 250MPa，韧性约为 70MJ/m3，可编织成束，在湿润条件下仍具有较高强度和稳定性。由于其良好的生物降解性和免疫相容性，DKBF 缝合线在伤口闭合方面表现出色，炎症反应明显低于 PLGA 和丝质缝合线。该研究为创新生物再生纤维制造以及刺激响应性和生物医学应用提供了有价值的思路，有望推动相关领域的发展。