可持续丝素蛋白纳米纤维膜：天然光热与生物活性组分协同实现无粘合剂软组织修复

《ACS Applied Bio Materials》：Sustainable Silk Fibroin Nanofibers Membranes with Natural Photothermal and Bioactive Components for Adhesive-Free Soft Tissue Repair

本综述创新性地提出了一种基于丝素蛋白（SF）、乌贼墨（CI）和维生素B2（VitB2）的多功能电纺纳米纤维膜。该膜通过水基电纺技术制备，兼具生物活性支架功能与激光辅助组织焊接能力，为软组织再生提供了可持续、细胞相容性优异的平台。其核心优势在于整合了CI的光热/抗氧化特性与VitB2的促增殖功能，通过近红外激光（810 nm）实现组织界面牢固粘合（剪切应力达kPa级），同时保持组织温度低于60°C热损伤阈值，为无缝合软组织修复开辟了新途径。

　　

乌贼墨（CI）与维生素B₂（VitB₂）的特性表征

研究首先对两种核心生物活性成分进行了系统表征。乌贼墨（CI）经盐酸和丙酮纯化后，扫描电镜（SEM）显示其纳米颗粒平均直径为123±30纳米，且纯化后颗粒团聚现象显著减少。DPPH自由基清除实验证实CI具有强抗氧化活性，半数有效浓度（EC₅₀）约为50微克/毫升。维生素B₂的紫外-可见吸收光谱则显示出其在267、371和445纳米处的特征吸收峰，符合其光化学活性特征。

电纺膜的制备与理化性质

采用水基电纺技术成功制备了含甘油（20% w/w，用于赋予膜不溶性）和聚环氧乙烷（PEO，SF:PEO=70:30，总聚合物浓度5% w/v）的丝素蛋白纳米纤维膜。膜厚度约为100±20微米，具有良好的柔韧性。SEM图像显示所有样品均形成无缺陷的非织造纳米纤维网络。单独添加VitB₂或CI会使纤维平均直径从160纳米（SF-Pgl）分别增至178纳米和184纳米，而两者共存时直径恢复至161纳米，表明添加剂间存在补偿效应。

衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析表明，所有膜均在1515、1620和1700 cm^-1处显示β-折叠结构特征峰，证明甘油成功诱导了丝素蛋白向不溶性Silk II构象转变。添加CI或VitB₂后，代表无规卷曲/α-螺旋结构的1545和1650 cm^-1峰面积减少，提示结晶度提高。差示扫描量热法（DSC）进一步验证了这一结果：所有样品在约190°C出现由非晶态向β-折叠转变的吸热峰，且含活性成分的样品该峰温度升至194-197°C，表明蛋白稳定性增强。

力学测试显示，含CI膜的拉伸强度为2.6±0.2兆帕，杨氏模量为18±3兆帕，与不含CI的对照组无显著差异，证明CI纳米颗粒的加入未损害膜的整体力学完整性。

膜的稳定性、降解性与药物释放行为

在磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）中浸泡24小时后，所有膜均出现约30%的质量损失，主要归因于甘油和PEO的溶出，而ATR光谱证实丝素蛋白本身保持稳定。SEM观察到纤维发生溶胀（SF-Pgl纤维直径增至380±100纳米）并出现表面孔隙，SF-Pgl和SF-Pgl/CI膜的溶胀比分别为3.9±1.2和6.2±0.6。在蛋白酶XIV溶液中，膜在48小时内降解率达75-80%。

VitB₂的释放动力学研究表明，其在PBS中前30分钟出现突释（约50%），6小时累计释放达80%。释放曲线最符合Peppas-Sahlin模型（R²>0.90），释放指数n<0.5且k₂为负值，表明VitB₂主要通过Fickian扩散机制释放。值得注意的是，CI的共存使释放速率常数k₁略有升高，可能是由于CI削弱了丝素蛋白与VitB₂的相互作用。相反，CI在释放介质中未检测到信号，证明其被完全保留在纤维基质内。

生物相容性评价

采用NIH-3T3小鼠成纤维细胞进行体外生物相容性评估。Resazurin还原实验显示，培养48小时后，所有膜上的细胞存活率均高于80%。其中，含CI的膜（SF-Pgl/CI）显著促进细胞粘附和细胞骨架组织，细胞覆盖率较纯SF-Pgl膜提高20%；而含VitB₂的膜（SF-Pgl/VitB2和SF-Pgl/CI+VitB2）则支持细胞形成融合且组织良好的单层，覆盖率分别达75%±7%和72%±5%。荧光显微镜图像清晰显示，VitB₂促进了细胞的高密度增殖和均匀分布。

激光辅助无粘合剂组织焊接

核心创新点在于利用CI的光热效应实现组织焊接。仅含1% CI的膜（光热转换率约50%）在810纳米近红外激光照射下能实现有效焊接。优化参数为：脉冲模式能量密度约0.42焦耳/平方厘米，或连续波模式功率密度2-3瓦/平方厘米。在兔肌腱、羊角膜和巩膜上的焊接实验均获得成功。

模拟肌腱损伤的修复实验中，采用500毫瓦连续激光（功率密度2.88瓦/平方厘米）照射，lap-shear测试显示焊接界面可承受约20千帕的剪切应力，与商业纤维蛋白密封剂性能相当。红外热成像证实焊接过程中组织温度始终低于60°C热损伤阈值。苏木精-伊红（H&E）染色组织学分析显示膜与肌腱界面结合紧密，且无热损伤迹象。研究推测焊接机制可能与加热-冷却过程中界面处分子键的破坏与重组有关。

结论与展望

该研究成功开发了一种集生物相容性、可降解性、力学支撑、抗氧化、光热转换及控释功能于一体的多功能丝素蛋白纳米纤维膜。其通过天然成分（CI和VitB₂）的协同作用，为软组织再生和微创手术中的无缝合修复提供了创新解决方案。未来在角膜上皮细胞及损伤角膜模型中的深入研究，将进一步推动其在眼科关键临床应用中的转化。