Биоматериалы из фиброина шёлка

Фиброин шёлка как биоматериал — тема, отличная от шёлка как волокна. Здесь белок растворяют и заново формуют в плёнки, губки, гели и покрытия, а важные свойства задаёт почти целиком одна структурная переменная.

Иммуногеном является клей#

Шёлковая нить Bombyx mori состоит из двух фиброиновых филаментов, склеенных серицином — клееподобным гликопротеиновым покрытием.

Исторические сообщения о воспалительных и аллергических реакциях на шёлковые нити относятся в основном к серицину, а не к фиброину. Отварка — удаление серицина, традиционно кипячением в щелочном карбонатном растворе — оставляет фиброин, который переносится хорошо, и полнота отварки поэтому определяет биосовместимость, а не является косметической деталью переработки. Спецификация материала, в которой не указан остаточный серицин, опускает самую важную переменную.

Рекомбинантный фиброин, полученный микробиологически, обходит вопрос целиком, поскольку серицин является отдельным продуктом другого гена и попросту не экспрессируется.

Всем управляет одна структурная переменная#

В тяжёлой цепи фиброина господствуют длинные повторы глицин-аланин и мотив GAGAGS. У этих повторов практически нет объёмных боковых групп, поэтому цепи укладываются в плотно связанные водородными связями бета-складчатые кристаллиты, погружённые в менее упорядоченную аморфную фазу.

Регенерированный фиброин существует в двух состояниях. Шёлк I — метастабильная, преимущественно аморфная форма, получаемая простым высушиванием раствора фиброина: растворимая в воде и механически слабая. Шёлк II — кристаллическая форма, богатая бета-складками.

Переход вызывают намеренно: обработкой метанолом или этанолом, отжигом в водяном паре при заданной влажности или приложенным сдвигом. И поскольку этот переход является единственной крупной структурной степенью свободы материала, доля бета-складок оказывается той ручкой, которая задаёт разом все свойства:

• Механика. Больше кристалличности — выше жёсткость и прочность, ниже растяжимость.
• Устойчивость к воде. Шёлк I растворяется, шёлк II нет, поскольку связанные водородными связями складки исключают воду.
• Скорость деградации. Вот полезная часть. Фиброин расщепляется протеазами в организме, а протеолиз требует доступа к развёрнутой цепи. Кристаллические области недоступны, поэтому деградация идёт через аморфную фазу. Повышение доли бета-складок её замедляет, а достижимый диапазон очень широк — от недель до года и более.

Один и тот же белок поэтому можно переработать и в быстро рассасывающийся каркас, и в долгоживущее покрытие имплантата, вовсе не меняя его химии. Немногие биоматериалы дают такой диапазон из одного исходного вещества.

Во что его можно превратить#

Поскольку исходным состоянием является раствор, форма становится выбором переработки: литые плёнки, сублимационно высушенные пористые губки, чьи поры повторяют кристаллы льда, электроформованные маты, гидрогели, образуемые ультразвуком или сдвиговым гелированием, микросферы и покрытия.

Стоит знать ещё два свойства. Фиброин можно перерабатывать целиком в воде, поэтому чувствительные к нагреву и растворителям молекулы, включая ферменты и вакцины, можно заключать в материал прямо при формовании, и окружающая матрица их стабилизирует. А продуктами его деградации являются пептиды и аминокислоты, а не кислые мономеры, поэтому он не даёт того местного падения pH, каким сопровождается распад полиэфиров вроде полилактида.