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.