Preview

Российские нанотехнологии

Расширенный поиск

Новые перспективные материалы на основе рекомбинантного и регенерированного шелка для медицины и конструкционных тканей

https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-7-8-3-22

Полный текст:

Аннотация

Одним из наиболее прочных природных материалов является паутина. Прочность ее нитей может достигать 1.3–1.5 ГПа, что сопоставимо с прочностью стали. Энергия ее разрушения достигает огромных значений 194–283 МДж/м3 , поэтому текстиль на основе паучьих нитей может найти применение в изготовлении композиционных элементов для летательных аппаратов и автомобилей. Волокна паука обладают высокой биосовместимостью, поддерживают жизнеспособность клеток и обладают антибактериальными свойствами и не вызывают иммунного ответа. Таким образом, они могут быть использованы для изготовления трехмерных пористых клеточных каркасов для целей тканевой инженерии. К несомненным достоинствам волокон паука относится то, что они не плавятся. Поэтому текстильные изделия из паучьего шелка можно использовать для изготовления армейской экипировки. К сожалению, производить паучий шелк с помощью массового разведения пауков невозможно. В связи с этим ведется разработка его синтетических аналогов с помощью технологии рекомбинантной ДНК. С целью создания отечественной технологии изготовления искусственного шелкового волокна и медицинских материалов в данном обзоре приводятся основные работы в области исследования реологических свойств растворов спидроина (основной материал паутины) и фиброина шелка, показывающие, как структурные превращения спидроина, индуцированные изменением pH, содержанием соли и напряжением сдвига, определяют его способность к самоорганизации в водных растворах. Приводится анализ важнейших работ в области мокрого, сухо-мокрого формования и электроформования волокон, а также сравнение механических свойств волокон рекомбинантного спидроина с соответствующими показателями природных волокон паука. Значительные успехи, достигнутые в последнее время в этой области, позволяют перейти к созданию волокнистых материалов нового поколения.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

  1. Реологические свойства природного шелка паука
  2. Влияние pH, концентрации соли и скорости сдвига на кинетику агрегации нативного и реком­бинантного спидроина
  3. Получение волокон на основе рекомбинант­ного, нативного спидроина и шелка Bombyxmori

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Пауки — одни из старейших животных на плане­те, появившиеся около 400 млн лет назад, они при­мерно на 150—200 млн лет старше динозавров и более чем на 200 млн лет — первых млекопитающих. Пау­кообразные, или арахниды, относятся к классу чле­нистоногих из подтипа хелицеровых. Они способны получать паутину огромного размера. Так, техасские пауки покрыли паутиной-покрывалом несколько акров леса в 80 км к востоку от Далласа, опутывая в основном дубы и можжевельник [1].

Люди неоднократно пытались использовать па­утину в качестве пряжи. Самым изобретательным экспериментатором оказался некий аббат Камбуэ, исследуя возможности мадагаскарского паука галаба, он сумел так усовершенствовать свое дело, что живых пауков в маленьких выдвижных ящич­ках «подключал» прямо к ткацкому станку особого образца; станок тянул из пауков нити и ткал из них тончайший шелк. Таким способом из одного пау­ка можно получить за месяц около четырех тысяч (4000!) метров шелковой нити. Для сравнения — нить, распутанная из кокона тутового шелкопряда, в зависимости от его вида бывает длиной от трехсот до пятисот метров [2]. К сожалению, производство паучьего шелка столкнулось с невозможностью массового разведения пауков, прежде всего из-за сложности кормления этих хищников и присущего им каннибализма.

Поэтому единственный реальный путь полу­чения такого материала в достаточных количе­ствах — это разработка его синтетических анало­гов, и в первую очередь с помощью технологии рекомбинантной ДНК. В настоящее время такие компании, как BioSteel, Spiber® biomaterial и Bolt Threads, активно разрабатывают и пытаются вне­дрять синтетическую паутину в область биоме­дицинских применений и производство иннова­ционных тканей. Компания BioSteel, например, заявляет в своем рекламном проспекте, что пау­тина из волокон, имеющих толщину, сравнимую с толщиной обыкновенного карандаша, способ­на остановить летящий "Боинг 747" массой 380 т. Сравнение свойств паучьего шелка с такими мате­риалами, как сталь и кевлар, представлено в табл. 1 [3]. Как видно, волокна на основе шелка обладают огромной энергией разрушения, что обусловлено их способностью поглощать значительное количе­ство энергии и важно для изготовления компози­ционных материалов специального назначения.

 

Таблица 1. Механические свойства пяти различных типов паучьего шелка, кевлара и стали с повышенной прочностью

Материал

Прочность, ГПа

Растяжимость, %

Энергия разрушения, МДж/м3

Dragline шелк

0.88-1.5

21-27

136-194

Flagelliform шелк

0.5-1.3

119-270

75-283

Cylindriform шелк

0.48-2.3

19-29

95

Minor ampullate шелк

0.92-1.4

22-33

137

Aciniform шелк

1.1

40

230

Кевлар 49

3.6

2.7

50

Высокопрочная сталь

1.5

0.8

6

С целью разработки отечественной технологии изготовления искусственного шелкового волокна и медицинских материалов на его основе с повы­шенными механическими свойствами в предла­гаемом обзоре проведен анализ важнейших работ в этой области.

  1. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНОГО ШЕЛКА ПАУКА

Для успешного формования волокон пред­варительно необходимо изучить реологические характеристики прядильных растворов. Поэтому анализ исследований, посвященных получению волокнистых материалов на основе рекомбинант­ного спидроина, начнем с изучения реологических характеристик природного спидроина (белка, со­ставляющего каркасную нить пауков-шелкопрядов), выделенного из больших ампульных желез паука Nephila clavipes (рис. 1) [4].

 

Рис. 1. Взрослая самка паука Nephila Clavipes (а). Разрезанная паучья железа (А), прядильный рас­твор объемом 1 мкл (Б), выдавленный через разрыв в стенке железы рядом с формующим каналом (В) [4] (б).

 

Как видно из рис. 2, водный прядильный рас­твор спидроина, извлеченный из железы паука, обладает неньютоновским поведением, хорошо описываемым уравнением Карера—Ясуда [5]:

где λ = 0.40 с, a = 0.68 и n = 0.18.

 

Рис. 2. Зависимость вязкости прядильных растворов природного спидроина (1) и шелка тутового шелко­пряда (2) от скорости сдвига [4].

 

Высокая начальная вязкость (η0) раствора (при­мерно 3500 Пас) после преодоления критической скорости сдвига (1.7 с1) начинает стремительно снижаться, что связывают с развитием процесса ориентации молекул спидроина. Обнаруженная закономерность выявляется и в других исследо­ваниях [6, 7] (рис. 3). Высокая начальная вязкость прядильных растворов объясняется не только высокой концентрацией спидроина в растворе (20—50%), но и значительными межмолекулярны- ми взаимодействиями, как следует из изменения ИК-спектров.

 

Рис. 3. Зависимость вязкости нативных растворов спидроина от скорости сдвига [7].

 

Наблюдаемое неньютоновское поведение пря­дильных растворов спидроина объясняет анато­мическое строение прядильного аппарата паука. Большая ампуловидная железа, производящая са­мый прочный — каркасный шелк, состоит из трех основных отделов: центрального мешочка (А) (рис. 1б), очень длинного изогнутого канала и тру­бочки с выходным отверстием. Изогнутый канал является главным прядильным аппаратом паука и представляет собой коническую трубку длиной 20 мм с максимальным и минимальным диаме­тром отверстия 200 и 4 мкм. Паук может вытяги­вать нить диаметром 4 мкм со скоростью 20 мм/c, что соответствует объемному расходу 0.25 нл/c. Неньютоновское поведение спидроина внутри железы позволяет снизить давление, необходи­мое для проталкивания его раствора через филье­ру с данной геометрией до 4 · 107 Па, что в 500 раз ниже давления, требуемого при прокачивании ньютоновской жидкости такой же вязкости.

Структурные свойства и обнаруженные реоло­гические закономерности характерны для белко­вых молекул не только спидроина, но и фиброина. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать ра­боты, посвященные исследованиям этих двух бел­ковых молекул. Как показано в [7], под действием напряжения сдвига происходят структурные пре­вращения фиброина шелка тутового шелкопряда (своего рода аналога спидроина) в растворе (рис. 4). По литературным данным, наблюдаемое при этом увеличение интенсивности полос поглощения при 1442, 1516, 1617 и 1700 см1 связывают с обра­зованием антипараллельных β-листов и β-складок [6]. При этом доля случайных клубков и спираль­ных структур в составе образца снижается, о чем свидетельствует уменьшение интенсивности по­лос поглощения при 1547, 1642 и 1679 см-1. Про­изошедшие структурные превращения существен­но влияют на реологическое поведение растворов обоих видов шелка. Испытания, проведенные в режиме вынужденных колебаний, свидетель­ствуют, что под действием напряжения сдвига вязкоупругое поведение нативного прядильного раствора шелка изменяется от слабого до твердого геля (рис. 4 из [6]). Полученные данные позволили авторам выдвинуть предположение о том, что фа­зовое превращение, происходящее под действием сдвига, является результатом образования водо­родных связей между молекулами белков, сопро­вождающимся выделением воды.

 

Рис. 4. ИК-спектр нативного (NSF) и перераство- ренного (RSF) фиброина шелка в растворе в зависи­мости от направления поляризации до приложения напряжения сдвига (а) и после (б) [7].

 

С целью визуализации связи между структур­ными превращениями и реологическим поведени­ем нативного прядильного раствора шелкопряда с концентрацией 17-19% в [8] использовали кон­фокальную лазерную микроскопию (с длиной вол­ны 561 нм). Из рис. 5а видно, что вязкость и модуль образцов раствора, подвергнутых деформации с низкой скоростью сдвига (3 с-1) в течение 5 с, сначала возрастает, а потом выходит на постоян­ное значение. При этом нормальная сила остается практически нулевой. Увеличение продолжитель­ности сдвигового воздействия до 10 с не привело к каким-либо существенным изменениям. Однако после повышения скорости сдвига до 6 с-1 произо­шло колоссальное возрастание вязкости, нормаль­ной силы и модуля упругости. Таким образом, рео­логическое поведение природных растворов шелка можно разделить на несколько стадий. На началь­ной стадии при низких скоростях происходят макромолекулярная реорганизация и постепенная ориентация молекул белка вдоль направления деформации, что сопровождается незначитель­ным изменением вязкости, модуля и нормальной силы. В дальнейшем при накоплении деформации при более высоких скоростях сдвига (при движе­нии в сужающейся железе) начинается процесс фибриллообразования (рис. 5б), сопровождаю­щийся возрастанием вязкости, а также увеличени­ем нормальной силы и модуля упругости.

 

Рис. 5. Анализ реологических (а) и структурных (б) изменений, происходящих в нативном растворе шелкопряда. Графические символы цвета (I) и (II) показывают изменение вязкости и нормальной силы соответственно при скорости сдвига 3 с-1 в течение 5 с (□), 3 с-1 в течение 10 с (о), 6 с-1 в течение 5 с (Δ). После каждого периода сдвигового воздействия проводили частотный тест для определения модуля упругости (значки цвета (III)). Начало фибриллообразования показано вертикальной пунктирной прямой [8].

 

Как показано в [9], сдвиговое воздействие име­ет ключевое значение для активации процесса фибриллообразования. Изучение процесса ор­ганизации макромолекул проводили в нативных растворах шелка Bombyx mori с концентрацией 10, 1, 0.1, 0.01 мг/мл. Образцы для атомно-силовой микроскопии (АСМ) были приготовлены двумя различными способами. В первом случае путем центрифугирования (2000 об./мин) из капли рас­твора объемом 200 мкл получали тонкие пленки на гладкой поверхности слюды. Во втором случае образцы готовили так, чтобы избежать какого-ли­бо риска воздействия напряжения сдвига на струк­туру исследуемого белка.-

Как видно из рис. 6, при отсутствии напряже­ния сдвига на подложке не удалось обнаружить следов фибрилл. На поверхности образцов, при­готовленных из раствора шелка с концентрацией 0.01—1 мг/мл, присутствуют как индивидуальные молекулы белка размером от 20 до 25 нм и высо­той 1.2 нм, так и их агломераты. В случае воздей­ствия напряжения сдвига обнаружена самооргани­зация молекул белка в виде нанофибрилл или их пучков шириной от 24 до 250 нм (рис. 7). При этом на изображениях с большим увеличением видно, что фибриллы состоят из «бусинок» протяжен­ностью 17 нм и диаметром от 20 до 25 нм (рис. 8), что позволяет идентифицировать их как отдель­ные молекулы белка. Уменьшение концентрации белка в растворе до 0.01 мг/мл приводит к изме­нению морфологии нанофибрилл и снижению их диаметра до 9 нм (рис. 9). Неожиданный результат авторы работы связывают с конформационными изменениями белка вследствие уменьшения его концентрации [10].

 

Рис. 6. АСМ-изображения молекул нативного шелка, нанесенных на поверхность слюды, из раствора белка с кон­центрацией 0.01 мг/мл [9].

 

 

Рис. 7. Бесконтактные АСМ-изображения нанофибрилл и пучков нанофибрилл нативного шелка, полученных из раствора белка с концентрацией 1 мг/мл при сдвиге [9].

 

 

Рис. 8. Увеличенное АСМ-изображение нанофибрилл и пучков нанофибрилл нативного шелка с указанием их по­перечных размеров [9].

 

 

Рис. 9. АСМ-изображения нанофибрилл нативного шелка, нанесенных на подложку из слюды, из раствора белка с концентрацией 0.01 мг/мл при сдвиге: а, б — топографические изображения, в, г — фазовые изображения [9].

 

При производстве волокон обязательной ста­дией является деформация растяжения. Одноос­ное растяжение жидкостей было впервые изучено Трутоном, который показал, что вязкость при про­дольном течении ηε связана со сдвиговой вязко­стью через уравнение при напряжениях, стремя­щихся к нулю:

ηe = 3η0.                                                                                       (2)

На рис. 10 показано, что продольная вязкость нативного раствора спидроина полностью соответствует этому условию при малых деформациях.

 

Рис. 10. Зависимость продольной вязкости от де­формации Генки для нативного раствора спидро- ина, выделенного из ампуловидной железы паука Nephila clavipes L. (η = 11 400 Па-с) [4].

С увеличением деформации скорость деформации растяжения снижается и с течением времени ста­новится равной 0, что связывают с процессами мо­лекулярного удлинения и испарения растворителя с поверхности затвердевающей струи.

Часть исследований посвящена разработкам технологии получения волокон из регенерирован­ного фиброина или спидроина. Попытка оценить потенциал данной идеи была предпринята в [11] сравнением реологических свойств нативного и перерастворенного шелка тутового шелкопряда.

В качестве объектов исследования использовали нативный раствор шелка, выделенный из желез ту­тового шелкопряда Bombyx mori, а также шелк, вы­деленный из его коконов. Приготовление раствора в последнем случае происходило следующим об­разом. Коконы дважды кипятили в 0.5%-ном рас­творе Na2CO3 в дистиллированной воде в течение 30 мин. Далее промывали в дистиллированной воде и замачивали в теплой воде в течение 30 мин.

В последнем случае для удаления серицина шелк из коконов отмывали кипячением в рас­творе соды, затем полученный продукт растворя­ли в 9 М растворе LiBr и диализировали против дистиллированной воды. Результаты частотного и вязкозиметрического теста исследованных рас­творов представлены на рис. 11. Как видно, модуль накопления и потерь, а также вязкость растворов нативного шелка превосходят соответствующие показатели растворов из перерастворенного шел­ка. Кроме того, концентрированные растворы (18.6%) нативного шелка демонстрируют зольгель-переходы, а более разбавленные (4.6%) — ге­леобразное поведение, что для растворов перерастворенного шелка нехарактерно. Можно также отметить, что растворы нативного шелка представ­ляют собой неньютоновские жидкости, в то время как растворы перерастворенного шелка являются ньютоновскими жидкостями.

 

Рис. 11. Зависимость модуля упругости (I) и вязко­сти (II) от частоты для растворов нативного шелка с концентрацией 18.6% (□) и 4.6% (о), а также рас­творов перерастворенного шелка с концентраци­ями 18.5% (Δ) и 4.5% (◊) (а); зависимость вязкости растворов нативного и перерастворенного шелка от скорости сдвига (б) [11].

 

Полученные результаты показывают различ­ное реологическое поведение растворов нативного и перерастворенного шелка. Таким образом, исполь­зовать оригинальные (природные) параметры фор­мования при изготовлении синтетического волокна на основе перерастворенного шелка нецелесообраз­но. Формование волокон из растворов шелка — это процесс превращения энергии из механической в химическую за счет конформационных изменений молекулы белка. Наибольшая ньютоновская вяз­кость соответствует энергии, необходимой для пре­одоления прочности межмолекулярных ассоциаций и межмолекулярного трения (рис. 12а). Модуль плато свидетельствует об энергии, необходимой для пере­хода из геля в твердое волокно (рис. 12б).

 

Рис. 12. Зависимость наибольшей ньютоновской вяз­кости (а) и модуля плато (б) от концентрации нативно­го (I) и перерастворенного (II) шелка в растворе [11].

 

Как можно видеть, вязкость растворов натив­ного шелка напрямую зависит от его концентрации в растворе. Однако для перерастворенного шелка данная закономерность наблюдается только для растворов с концентрацией более 10%. Полу­ченные результаты можно объяснить более слабой межмолекулярной связью между молекулами пе- рерастворенного шелка. Способность накапливать энергию у молекул перерастворенного шелка так­же ниже. Представленные результаты свидетель­ствуют о деградации молекул растворенного шел­ка в процессе приготовления раствора, раскрывая таким образом причину неудачных попыток полу­чения шелкового волокна по своим механическим свойствам, не уступающим природным аналогам из регенерированного фиброина.

  1. ВЛИЯНИЕ pH, КОНЦЕНТРАЦИИ СОЛИ И СКОРОСТИ СДВИГА НА КИНЕТИКУ АГРЕГАЦИИ НАТИВНОГО И РЕКОМБИНАНТНОГО СПИДРОИНА

Реологические свойства растворов спидроина также зависят от условий формования и его мо­лекулярно-массовых (ММ) характеристик. В [12] проведено исследование зависимости гидроди­намического диаметра рекомбинантного спидро- ина rMaSpI от pH, концентрации соли, скорости сдвига и времени. Показано, что раствор спидроина состоит из двух фракций: большей, состоящей из индивидуальных молекул белка, и меньшей, образованной высокомолекулярными агрегата­ми. Как видно (рис. 13), соль стабилизирует бе­лок в растворимом состоянии, в отсутствие соли раствор переходит в гель. Для примера, при pH = 7.2 гидродинамический размер фракции спидрои­на с высокой скоростью диффузии составляет 9 нм, а фракции с низкой скоростью диффузии — 50 нм при концентрации NaCl в растворе 135 мМ по­сле 300 ч хранения. В отсутствие соли при тех же условиях размер фракции спидроина с высокой скоростью диффузии составляет 14 нм, а фракции с низкой скоростью диффузии — около 200 нм. Чем ближе pH к изоэлектрической точке (pH = 10.2), тем быстрее проходит процесс агрегации молекул спидроина (рис. 14). Наибольшей скоростью агре­гации обладают образцы спидроина (олигомерная фракция), подвергнутые предварительной сдвиго­вой деформации (рис. 15). Интересно, что образцы по способности к агрегации располагаются в следу­ющем порядке. Быстрее всего агрегируют образцы при рH 2 (после сдвига), затем образцы при рH 7.2 — 0 мМ (после сдвига) и только затем образцы при рН 2 — 0 мМ (без сдвига). Можно предполо­жить, что присутствие соли в составе прядильного раствора в определенном диапазоне концентраций при приложении напряжения сдвига не станет пре­пятствием для инициирования процесса образова­ния фибрилл. Таким образом, представленные ре­зультаты подчеркивают основную роль напряжения сдвига в процессе волокнообразования. В процессе формования шелка пауком Nephila концентрация ионов К+ увеличивается от 750 мг/г вдоль прядиль­ного канала до 2900 мг/г в полученном волокне. В то же время концентрация ионов Na+ уменьша­ется от 3130 до 300 мг/г. Из представленных данных можно сделать вывод, что для стабильного хранения растворов спидроина больше подходят ионы Na+, а для получения волокон с высоким содержанием β-листов — ионы К+ [13]. Водородный показатель вдоль паучьего канала изменяется от нейтрального (7.2) до слабокислого (6.3), что также свидетель­ствует о более высокой агрегационной способно­сти спидроина в кислых условиях. Таким образом, для успешного формования спидроина в условиях приложения напряжения сдвига при сохранении нативной структуры необходимо контролировать pH, солевой состав и ионную силу.

 

Рис. 13. Гистограмма распределения гидродинамического диаметра для олигомерной и мономерной фракции бел­ка в зависимости от pH среды, типа и концентрации соли после 0, 50, 150 и 300 ч. Процентное содержание каждой фракции указано цифрами над каждым столбцом. Гидродинамический диаметр вычислен методом ядерно-маг­нитного резонанса [12].

 

 

Рис. 14. Зависимость гидродинамического диаметра олигомерной фракции от pH, измеренная методом динамического светорассеяния [12].

 

Рис. 15. Гистограмма распределения гидродинами­ческого диаметра для олигомерной и мономерной фракции белка в зависимости от скорости сдвига при pH 5.2 — 0 мМ после 0, 50, 150 и 300 ч [12].

 

  1. ПОЛУЧЕНИЕ ВОЛОКОН НА ОСНОВЕ РЕКОМБИНАНТНОГО, НАТИВНОГО СПИДРОИНА И ШЕЛКА BOMBYX MORI

В настоящее время по способу изготовления искусственных волокон на основе шелка можно выделить два основных подхода: классическое мо­крое, или сухо-мокрое, формование и электрофор­мование.

Для эффективного формования авторы чаще всего используют параметры, соответствующие природным характеристикам прядения белковых растворов, к которым прежде всего относятся ММ белка, его аминокислотный состав, тип раство­рителя, состав растворителя, его характеристики и т.д. При классическом способе получения во­локон могут использоваться природные параме­тры прядения белковых растворов: ММ спидроина и его аминокислотный состав, растворитель, со­став прядильного раствора и его pH, технологиче­ские характеристики процесса формования.

Классическую модель мокрого формования спидроина можно рассмотреть на примере ис­следования, проведенного в [14]. В этой работе 15%-ный водный раствор спидроина пропускали через осадительную ванну, содержащую 80%-ный изопропанол. Полученные таким образом волок­на вытягивали до 300 или 500% в том же раство­ре. В результате воздействия растворителя и при­ложенного растяжения содержание β-складчатой структуры увеличивалось с 10% в растворе до 38% в волокне. При этом содержание α-спиралей в об­разцах спидроина уменьшалось с 28 до 12%. Меха­нические свойства полученных волокон представ­лены в табл. 2. При вытяжке в 6 (4) раз наблюдается существенное увеличение прочности почти на по­рядок и модуля упругости в 4 (1.5) раза.

 

Таблица 2. Зависимость механических свойств волокон от степени их растяжения и химической природы спи­дроина

Тип спидроина

N1L(AQ)12NR3

eMaSp1s

Кратность вытяжки

1

6

1

4

Диаметр, мкм

75 ± 12

39 ± 9

77 ± 7

49 ± 7

Растяжимость, %

4 ± 2

109 ± 23

4 ± 1

102 ± 24

Прочность, МПа

25 ± 14

206 ± 68

31 ± 7

282 ± 66

Модуль Юнга, ГПа

0.3 ± 0.2

1.3 ± 0.7

0.9 ± 0.1

1.5 ± 0.3

Для приготовления растворов спидроина так­же можно использовать другие растворители, на­пример смесь гексафторизопропанола (ГФИП) с водой в соотношении 70/30, а в качестве осади­тельной ванны — смесь этилового спирта с водой (95/5) [15]. Присутствие воды в этиловом спирте облегчает разрушение межмолекулярных водо­родных связей, тем самым способствуя реор­ганизации молекул спидроина и образованию β-складчатых структур [16]. Полученные таким способом волокна вытягивали в воде до двух- или четырехкратной вытяжки. Дополнительная вытяжка улучшала механические свойства воло­кон (табл. 3), что можно было отнести как к из­менению вторичной структуры спидроина вслед­ствие увеличения количества β-складчатых листов, так и возрастанию количества микрокри­сталлов, состоящих из β-листов.

 

Таблица 3. Влияние степени растяжения на механические свойства волокон спидроина

Тип спидроина

AcSp1+W3

Кратность вытяжки

1

2

4

Диаметр, мкм

23 ± 1

12 ± 1

9 ± 1

Растяжимость, %

3.1 ± 1

2.5 ± 1.1

2.6 ± 1

Прочность, МПа

36 ± 12

48 ± 7

92 ± 8

Модуль Юнга, ГПа

1.4 ± 0.8

2.5 ± 1

4.5 ± 0.5

Достаточно подробное сравнение механи­ческих свойств волокон на основе нативного и рекомбинантного спидроина проведено в [17]. С этой целью были изучены четыре типа воло­кон на основе рекомбинантных спидроинов rcSp1 и rcSp2 различного состава: 100-0, 70-30, 30-70, 0-100 (%rcSp1-%rcSp2). Аминокислотный состав спидроинов представлен на рис. 16. Как можно видеть, по большей части аминокислотные по­следовательности представлены повторяющимися блоками на основе глицина и полиаланиновыми блоками. Области, состоящие преимущественно из глицина, обладают гибкостью и высоким удли­нением. Аланиновые блоки способны формиро­вать β-листы, которые могут самоорганизовываться в кристаллические структуры в волокне [18].

 

Рис. 16. Аминокислотный состав спидроинов rcSp1 (а) и rcSp2 (б), использованных в [17].

 

Для приготовления прядильных растворов ис­пользовали ГФИП. Волокна диаметром от 36 до 44 мкм формовали мокрым способом, исполь­зуя в качестве осадителя изопропанол. Механиче­ские свойства волокон, изготовленных из реком­бинантных спидроинов, представлены на рис. 17. Как видно (рис. 17а), свежесформованные волокна спидроина обладают прочностью от 280 до 350 МПа и относительным удлинением при разрыве от 0.3 до 0.4. Прочность волокон рекомбинантного спидроина существенно уступает прочности волокон нативного паучьего шелка (1800 МПа), в то время как их удлинение практически совпадает (26%). Можно также отметить, что, несмотря на разный аминокислотный состав, прочностные свойства во­локон рекомбинантных спидроинов rcSp1 и rcSp2 различаются незначительно. Тем не менее видно, что волокна, состоящие из смеси rcSp1 и rcSp2, уступают по своим прочностным характеристикам волокнам на основе индивидуальных белков.

 

Рис. 17. Сравнение механических свойств свежесформованных волокон спидроинов различных типов и волокон паука Argiope trifasciata (область на графике затененная серым цветом) (а). Сравнение механических свойств воло­кон спидроинов различных типов и волокон паука Argiope trifasciata после их усадки (б). Восстановление механи­ческого поведения волокон рекомбинантного спидроина после их необратимой деформации (25%) (в). Сравнение механических свойств волокон спидроинов различных типов и волокон паука Argiope trifasciata в мокром состоянии (г) [17].

Волокнистые материалы на основе рекомби­нантного и паучьего шелка обладают значитель­ной усадкой после помещения их в водную среду и последующей сушки (табл. 2). Из рис. 17б вид­но, что после контракции различия в поведении волокон на основе рекомбинантных спидроинов и нативного паучьего шелка становятся мало­значительным. Тем не менее прочность волокон нативного шелка по-прежнему существенно пре­восходит прочность различных типов волокон на основе рекомбинантных спидроинов rcSp1 и rcSp2 (табл. 2).

Наличие деформационного гистерезиса у воло­кон рекомбинантного спидроина свидетельству­ет о наличии в них неориентированной части (рис. 17в), а значит, и возможности улучшения исходных механических свойств с помощью до­полнительной вытяжки. Сделанное предположе­ние можно подтвердить значительно более высо­кой усадкой волокон на основе нативного шелка (табл. 4). Авторы предполагают, что при увлаж­нении свежесформованных волокон разрушаются межмолекулярные водородные связи, что, по всей видимости, снижает температуру стеклования, ак­тивируя релаксационные процессы.

 

Таблица 4. Прочностные свойства волокон на основе рекомбинантного и нативного спидроина после их усад­ки в воде и сушки

Тип волокна

Усадка в воде, %

Усадка после сушки, %

Прочность, МПа

%rcSp1-%rcSp2

100-0

3 ± 1

17 ± 1

280 ± 20

70-30

5 ± 2

24 ± 1

210 ± 10

30-70

6 ± 2

16 ± 2

270 ± 20

0-100

10 ± 3

21 ± 4

220 ± 5

Нативный шелк

 

41 ± 1

1460 ± 90

Изучение механических свойств волокон ре­комбинантного спидроина в мокром состоянии важно, например, для целей тканевой инженерии. Как видно из рис. 17г, прочностные свойства воло­кон рекомбинантного спидроина после их смачи­вания водой значительно снижаются. Кроме того, можно отметить более высокую жесткость волокон на основе спидроинов rcSp1 в отличие от волокон из rcSp2, что связано с различным содержанием пролина в их аминокислотном составе.

Наблюдаемые изменения можно понять при изучении микроструктуры и ориентации кристаллических областей с помощью микро­дифракции на синхротронном излучении. Диф­ракционная картина волокон спидроинов rcSp1 и rcSp2 представлена на рис. 18. Рентгенограмма свидетельствует о достаточно высокой степени ориентации волокон на основе спидроина rcSp1. Вследствие более низкого содержания блоков по­лиаланина в белке rcSp2 для его волокон наблюда­ется более слабый контраст электронной плотно­сти и более широкое распределение ориентации, так что малоугловой пик трудноразличим.

 

Рис. 18. Рентгенограмма волокон спидроина состава rcSp1 (100% — 0%) (а) и rcSp2 (0% — 100%)(б). Ось волокна лежит в горизонтальном направлении [17].

 

Как видно, на микроразмерном уровне волокна спидроина имеют гомогенную структуру, соответ­ствующую β-поли-L-аланиновой структуре натив­ного шелка. Размер нанокристаллических доменов в спидроинах rcSp1 и rcSp2 и нативном шелке со­ставляет от 2 до 3 нм. Оценка степени кристаллич­ности и молекулярной упорядоченности по дан­ным рентгеноструктурного анализа представлена в табл. 5. Полученные результаты подтверждаются данными микроспектроскопии комбинационного рассеяния.

 

Таблица 5. Молекулярная структура волокон на основе спидроинов 1 и 2 и нативного шелка

Наименование

Степень кристалличности, %

Степень ориентации

rcSp1

18

210: 19.5

020: 19.5 210: 32.6

rcSp2

10

020: 30.5

Нативный шелк, полученный из большой ампулатной железы

12

 

Исследование структуры изготовленных во­локон проводили также методами АСМ (рис. 19). Данные проведенных исследований показывают, что размер наноглобул для спидроина rcSp1 в про­дольном и поперечном направлении составляет 13 ± 2 и 10 ± 2 нм соответственно, а для спидрои­на rcSp2 соответствующие показатели составляют 14 ± 3 и 11 ± 2 нм. Ориентация основной оси нано­глобул лучше совпадает по направлению с макро­скопической осью волокон на основе rcSp1, чем rcSp2. Это предпочтительная ориентация вдоль макроскопической оси волокна отражает дальний порядок, обнаруженный с помощью малоугловой дифракции в образце rcSp1.

 

Рис. 19. Гистограммы распределения наноглобул в продольном и поперечном направлениях, рассчи­танные из микрофотографий волокон спидроинов rcSp1 и rcSp2, полученных с помощью АСМ [17].

 

Анализ результатов [17] показывает, что на основе рекомбинантного спидроина ММ = 50 кДа (1/6 ММ натурального шелка) возможно получать волокна с механическим поведением, а также структурой во­локон, аналогичных волокнам на основе натураль­ного шелка. Кроме того, структура данных волокон также будет подобна друг другу. В чем же причина более низких прочностных свойств волокон на ос­нове рекомбинантного спидроина? Возможно, в бо­лее низкой молекулярной массе?

Влияние ММ рекомбинантного спидроина на механические свойства волокон было рас­смотрено в целом ряде исследований. Как видно из [19], при увеличении ММ белка с 47.3 до 81.9 кДа обнаружено возрастание прочности волокон с 41.5 ± 2.9 до 107 ± 33 МПа, относительного удлинения с 2.73 ± 0.84 до 11.77 ± 7.21%, а так­же модуля Юнга и энергии разрушения. Однако в силу генетической нестабильности длинных и многократно повторяющихся последовательно­стей ДНК получить рекомбинантный спидроин с ММ, сопоставимой с ММ натурального шелка паука (> 300 кДа) очень сложно. Для получения спидроина с необходимой ММ в [20] провели посттрансляционный сплайсинг спидроинов (282 и 290 кДа), слитых с С- и N-интеинами, что по­зволило получить спидроин с ММ = 556 кДа. Пря­дильный раствор на основе высокомолекулярного спидроина концентрацией 17% в ГФИП формо­вали по мокрому способу в осадительную ванну с 95%-ным метанолом со скоростью экструзии 5 мкл/мин через шприц диаметром 116 мкм и дли­ной 43 мм. После довытяжки волокон до 600% ме­ханические характеристики изготовленных воло­кон стали тождественны натуральным волокнам паучьего шелка (табл. 6).

 

Таблица 6. Сравнение механических свойств натурального волокна шелка N. clavipes Dragline и его синтетиче­ского аналога

Спидроин

ММ, кДа

Прочность, МПа

Модуль Юнга, ГПа

Энергия разрушения, МДж/м3

Разрывная де­формация, %

Диаметр волокна, мкм

Синтетический

556

1031 ± 111

13.7 ± 3.0

114 ± 51

18 ± 6

5.7 ± 1.3

Натуральный N. clavipes Dragline

> 300кДа

1215 ±233

13.8 ± 3.6

111.2 ± 30

17.2 ± 3.5

~4.2-4.7

Рекомбинантные спидроины могут продуци­роваться с помощью бактерий, дрожжей, клеток животных, однако от своих природных аналогов помимо более низкой ММ они отличаются в боль­шинстве случаев отсутствием С- и N-концов. В связи с этим они имеют очень низкую раствори­мость в водных средах от 0.4 до 2% [21]. При этом даже в сильных органических растворителях, таких как ГФИП, их растворимость находится в диапа­зоне от 8 до 30%.

С целью изучения влияния C- и N-концов на растворимость рекомбинантных спидроинов и процесс волокнообразования из их растворов в [21] с помощью Escherichia coli был получен спи- дроин NT2RepCT с молекулярной массой димера 100 кДа. На его основе был приготовлен раствор с концентрацией > 500 мг/мл при pH 8. Получен­ный водный раствор был прозрачным, обладал высокой вязкостью, сопоставимой с вязкостью природного прядильного раствора, и оставался стабильным при хранении в течение нескольких месяцев. Процесс волокнообразования изучали в зависимости от pH в диапазоне от 2 до 7.5 (рис. 2а из [21]). Непрерывные волокна были получены только при pH от 3.0 до 5.5, структура волокон, сформованных при pH 5.0, была изучена методами ИК-спектроскопии (рис. 2в из [21]).

Разложение пика амид I на ИК-спектре пока­зывает, что содержание β-листов в прядильном растворе составляет 25%. В сформованных волок­нах их количество достигает 60%, что на 13% выше содержания β-листов в нативном паучьем шелке Nephila inaurata. К сожалению, в данной работе не приведены результаты механических исследова­ний полученных волокон, поэтому сделать оценку представленного подхода к изготовлению волокон на основе синтетического шелка сложно. Однако ее авторы заявляют о достижении, на их взгляд, наибольшей на данный момент времени величины энергии разрушения (45 МДж/м3) волокон на ос­нове рекомбинантного спидроина.

Имитация состава прядильного раствора пау­ка, а также ионообменных и диффузионных про­цессов, происходящих в формующем канале паука (рис. 20), способствует, как видно из [22], повыше­нию механических свойств волокон и улучшению их морфологических характеристик.

 

Рис. 20. Схема ионообменных и диффузионных процессов, возникающих между прядильной струей и фокусирующей жидкостью. В процессе формова­ния струи происходит обмен ионами, протонами и удаление молекул воды из прядильной струи в фо­кусирующую жидкость [22].

 

Альтернативный подход к изготовлению воло­кон с высокими механическими характеристика­ми на основе фиброинов шелка из коконов B. mori представлен в [23]. Прядильный раствор на основе регенерированного шелка готовили следующим образом. Коконы кипятили в 0.5%-ном раство­ре питьевой соды, промывали дистиллированной водой и высушивали. Затем сухие волокна шелка диспергировали в ГФИП при соотношении 1:20 и инкубировали в герметично закрытом контейне­ре при помешивании в течение 7-15 дней при тем­пературе 60°С. В таких условиях через 15 дней шелк частично растворяется до микрофибрилл диаме­тром от 5 до 20 мкм и контурной длиной от сотен до нескольких тысяч микрометров. Прядильный раствор имеет высокую вязкость и нематическую жидкокристаллическую структуру (рис. 21). Полу­ченные волокна имели кристаллическую струк­туру, содержащую β-листы. Стоит отметить их высокое содержание — от 34 ± 5 до 45 ± 3%, при­том что в нативном шелке B. mori оно составляет 38 ± 4%.

 

Рис. 21. Схема процесса волокнообразования (а) из дисперсий микрофибрилл шелка (МШ) в ГФИП. Структури­рование дисперсии МШ/ГФИП в процессе ее растяжения (б). Схема структуры сформованного волокна на основе перерастворенного шелка (в) [23].

 

Исследование механических свойств получен­ных волокон в зависимости от скорости враще­ния приемного барабана представлено в табл. 7 и на рис. 22а. Изготовленные волокна имеют проч­ность >100 МПа и относительное удлинение > 20%, а их модуль Юнга и значения энергии разрушения возрастают с ростом скорости намотки волокна на приемный барабан. Отметим, что влияние ско­рости вращения приемного барабана на свойства полученного волокна отмечается и в других рабо­тах [13].

 

Рис. 22. Механическое поведение волокон на осно­ве перерастворенного шелка B. mori в зависимости от их сечения (а), сопоставление модуля упругости изготовленных волокон и других типов материалов (б) [23].

 

 

Таблица 7. Зависимость механических характеристик сформованных волокон от скорости вращения прием­ного барабана

Группа

Линейная скорость вращения, мм/c

Сечение волокна, мм2

Модуль Юнга, ГПа

Энергия разрушения, МДж/м3

1

14

0.002 ± 0.001

11 ± 4

2 ± 2

2

T

0.007 ± 0.001

T

T

3

T

0.014 ± 0.003

T

T

4

T

0.018 ± 0.002

T

T

5

4

0.024 ± 0.003

8 ± 1

14 ± 9

Наиболее ценным результатом проведенной ра­боты является изготовление волокон с модулем Юнга 11 ГПа, превышающим соответствующий показатель для нативных волокон паука Araneus (10 ГПа) и ряда других материалов (рис. 22б). Однако прочность волокон паука Araneus (1.1 ГПа) по-прежнему зна­чительно превышает прочность синтетических воло­кон, изготовленных данным способом [24].

Указанные выше закономерности поведения вязкости растворов играют критическую роль для процессов электроформования, позволяя таким образом регулировать структуру изготовляемых ма­териалов. Электроформование (или электроспин­нинг в зарубежной литературе) — способ получения волокон из раствора [25, 26] или расплава полимера [27—29] под действием сил электрического поля. В отличие от классического способа формования волокон в электрическом поле возможно получать нановолокна из самых различных полимеров [30], в том числе белков [31, 32]. Одним из перспектив­ных направлений применения электроспиннинга является создание биосовместимых волокнистых материалов, наделенных трехмерной структурой, которая по своей архитектонике, химическим и ме­ханическим свойствам способна имитировать есте­ственный внеклеточный матрикс, что представ­ляет значительный интерес для регенеративной медицины [33, 34]. Как показывают проведенные клеточные исследования, нановолокнистые мате­риалы на основе рекомбинантного спидроина [35, 36] и фиброина шелка [37] способствуют адгезии фибробластов, мезенхимальных стволовых клеток и нормальных кератиноцитов человека, а также их распластыванию и пролиферации. При этом не­обходимо отметить, что показатели адгезии клеток на нановолокнистых материалах зависят от диаме­тра волокон (оптимальный диапазон размеров во­локон — от 0.5 до 1.5 мкм) и сопоставимы с контро­лем или даже выше него.

Функционализация волокон [38, 39] и инкап­сулирование различных биоактивных молекул [40] предоставляют возможность улучшить биосовместимые свойства разрабатываемого матрикса. Нетканые материалы на основе рекомбинантного спидроина и фиброина шелка, модифицирован­ные аминокислотной последовательностью RGD (аргинилглициласпарагиновой кислота), полу­ченные методом электроформования, успешно используются для изготовления тканеинженерных конструкций, имитирующих кожный покров, сер­дечную мышечную ткань, нервные каналы и т.д. [41-44].

Как известно, механические свойства наново- локнистых материалов регулируют не только адге­зию клеток, но и их миграцию [45]. В [46] показано влияние жесткости волокнистого материала на ос­нове желатина, сшитого глутаровым альдегидом, на фенотип хондроцитов. По данным [47] увели­чение жесткости волокон на основе полилактида и сополимера лактида с капролактоном от 0.09 ± до 13.18 ± 0.39 Н/мм (2.1 ГПа) не приводит к суще­ственному изменению формы гладкомышечных клеток и их ориентации вдоль оси волокна, но ин­гибирует скорость клеточной адгезии и индуциру­ет пролиферацию и миграцию клеток.

Управляя формированием нанофибрилл в пря­дильном растворе [48], можно улучшать его волок­нообразующие свойства и контролировать меха­нические свойства нановолокнистых материалов [49, 50]. Как показывают проведенные исследова­ния, механическое поведение нановолокнистых материалов на основе фиброина шелка позволяет использовать их для изготовления кровеносных сосудов [51].

Вследствие различных закономерностей фор­мирования структуры волокон в процессе мокрого формования и электроформования и отсутствия ориентационной вытяжки нановолокнистых мате­риалов видно, что нано- и микроволокна на основе рекомбинантного спидроина с одинаковым содер­жанием β-листов обладают разными механически­ми свойствами (табл. 8) [14, 52].

 

Таблица 8. Сравнение механических свойств нановолокон и микроволокон

Метод формования

Рекомби­нантный спидроин

Диаметр волокна, мкм

Mw,
кДа

Модуль Юнга, ГПа

Проч­ность, МПа

Удлинение, %

Энергия разрушения, МДж/м3

Электрофор­

мование

eADF4(C16)

0.15-0.45

48

6.3 ± 3.8

207 ± 105.4

5.2 ± 1.8

10.2 ± 7.5

Мокрое

формование

eMaSp1s

49±7

42.7

1.5 ± 0.3

282 ± 66

102 ± 24

144 ± 44

Интересно отметить, что при сопоставимой прочности волокон модуль Юнга и относительное удлинение волокнистых материалов существен­но различаются. Кроме приведенных ранее при­чин на механические свойства волокон влияют аминокислотный состав спидроинов (количество аланиновых блоков и их длина), размер кристал­литов и их распределение по сечению волокна (рис. 23) [53-55].

Из рис. 23 видно, что структура волокон с вы­сокими механическими характеристиками должна быть представлена аморфной матрицей, содер­жащей нитевидные кристаллы. С ростом длины полиаланиновых цепей возрастает модуль Юнга, энергия разрушения и прочность волокон вслед­ствие возникновения поперечных водородных связей между цепями и наличия химической свя­зи между элементами полипептидной цепи. Воз­растание числа полиаланиновых цепей приводит к снижению механических характеристик волокон из-за доминирующего влияния на них более сла­бого взаимодействия боковых заместителей между слоями β-цепей в кристалле. Таким образом, были определены оптимальные характеристики волок­на N = 8 и S = 3.

 

Рис. 23. Совместное воздействие химических условий и напряжения сдвига приводит к отверждению высоко­концентрированного прядильного раствора в моноволокно, сшитое кристаллами β-листов (а), волокна шелка драглайна состоят из фибрилл, которые представлены прочными кристаллическими субъединицами и аморфной матрицей. Размер кристаллических субъединиц определяется длиной полиаланиновых цепей — N и числом поли­аланиновых цепей в одном слое — S (б); зависимость модуля эластичности (в), разрывной прочности относитель­ного удлинения (г) от N и S [53, 55].

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение природных волокон на основе ре­комбинантного спидроина и фиброина позволит разработать не только новые типы композицион­ных или медицинских материалов, но и создаст экологически чистую безотходную технологию. Для развития технологии формования белковых волокон необходимо прежде всего изучить рео­логические свойства их растворов. Поэтому было показано, как структурные превращения спидро­ина, индуцированные изменением pH, содержа­нием соли и напряжением сдвига, определяют его способность к самоорганизации в водных раство­рах. Благодаря выявленным закономерностям, а также совершенствованию технологии синтеза рекомбинантной ДНК исследователям удалось достичь значительных успехов в получении тка­ных и нетканых материалов на основе рекомби­нантного спидроина и фиброина с механически­ми свойствами, сопоставимыми с натуральными волокнами паука и шелкопряда. Подводя итоги результатов формования волокон, можно отме­тить, что для приготовления прядильных раство­ров рекомбинантного спидроина достаточно часто применяют ГФИП, но, как показывают проведен­ные исследования, для получения волокон с более высокими механическими свойствами целесо­образнее использовать растворители с биомиметическим составом. Высокая молекулярная масса (>300 кДа) рекомбинантного спидроина, как и на­личие у него гидрофильных терминальных концов, предопределяет высокие механические характери­стики волокон на его основе. Одной из важней­ших стадий формования волокон из спидроина является ориентационная вытяжка, позволяющая создавать кристаллическую структуру в виде ните­видных кристаллов. Механическими свойствами волокнистых материалов на основе регенериро­ванного шелка можно управлять формированием нанофибрилл в прядильном растворе.

Как показывают проведенные исследования, нановолокнистые материалы на основе фиброина и спидроина имеют высокий потенциал для исполь­зования их в качестве клеточных каркасов. Для улуч­шения их биосовместимости их модифицируют ад­гезивными пептидами. Механическое поведение наволокнистых материалов на основе шелка соот­ветствует некоторым типам тканей и органов.

Об авторах

Т. Х. Тенчурин
Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Россия

123182 Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1



Р. В. Шариков
Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Россия

123182 Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1



С. Н. Чвалун
Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
Россия

123182 Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1



Список литературы

1. Texas A & M University. "Enormous Spider Web Found In Texas." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 September 2007. www.sciencedaily.com/releases/2007/09/070912145919.

2. Мир животных: Насекомые. Пауки. Домашние животные / Под ред. Акимушкина И.И.: М.: Мысль, 1990. 462 с.

3. Rising A., Johansson J. // Nature Chemical Biology. 2015. V. 11. № 5. P. 309. DOI: 10.1038/nchembio.1789.

4. Kojic N., Bico J., Clasen C., McKinley G.H. // J. Experimental Biology. 2006. V. 209. № 21. P. 4355. DOI: 10.1242/jeb.02516.

5. Bird R.B., Armstrong R.C., Hassager O. Dynamics of Polymeric Liquids. New York: WileyInterscience, 1987.

6. Holland C., Terry A.E., Porter D. Vollrath F. // Nature Materials. 2006. V. 5. № 11. P. 870. doi:10.1038/nmat1762.

7. Boulet-Audet M., Terry A.E., Vollrath F., Holland C. // Acta Biomater. 2014. V. 10. № 2. P. 776. doi:10.1016/j.actbio.2013.10.032.

8. Holland C., Urbach J.S., Blair D.L. // Soft Matter. 2012. V. 8. № 9. P. 2590. DOI: 10.1039 / C2SM06886A.

9. Greving I., Cai M., Vollrath F., Schniepp H.C. // Biomacromolecules. 2012. V. 13. № 3. P. 676. doi:10.1021/bm201509b.

10. Greving I., Dicko C., Terry A. et al. // Soft Matter. 2010. V. 6 № 18. P. 4389. DOI: 10.1039 / C0SM00108B.

11. Holland C., Terry A.E., Porter D., Vollrath F. // Polymer. 2007. V. 48. № 12. P. 3388. DOI: 10.1016/j.polymer.2007.04.019.

12. Leclerc J., Lefevre T., Gauthier M. et al. // Biopolymers. 2013. V. 99. № 9. P. 582. DOI: 10.1002/bip.22218.

13. Chen X., Shao Z., Vollrath F. // Soft Matter. 2006. V. 2. № 6. P. 448. DOI: 10.1039 / B601286H.

14. Thamm C., Scheibel T. // Biomacromolecules. 2017. V. 18. № 4. P. 1365. DOI:10.1021/acs.biomac.7b00090.

15. Weatherbee-Martin N., Xu L., Hupe A. et al. // Biomacromolecules. 2016. V. 17. № 8. P. 2737. DOI: 10.1021/acs.biomac.6b00857.

16. Ling S., Dinjaski N., Ebrahimi D. et al. // ACS Biomater. Sci. Eng. 2016. V. 2. № 8. P. 1298. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.6b00234.

17. Elices M., Guinea G.V., Plaza G.R. et al. // Macromolecules. 2011. V. 44. № 5. P. 1166. DOI: 10.1021/ma102291m.

18. Rising A., Widhe M., Johansson J. et al. // Cellular and Molecular Life Sciences. 2011. V. 68. № 2. P. 169. DOI: 10.1007/s00018-010-0462-z.

19. Li X., Shi C.H., Tang C.L. et al. // Biology Open. 2017. V. 6. № 3. P. 333. DOI: 10.1242 / bio.022665.

20. Bowen C.H., Dai B., Sargent C.J. et al // Biomacromolecules. 2018. V. 19. № 9. P. 3853. DOI: 10.1021/acs.biomac.8b00980.

21. Andersson M., Jia Q., Abella A. et al. // Nature Chemical Biology. 2017. V. 13. № 3. P. 262. DOI: 10.1038/nchembio.2269.

22. Pérez-Rigueiro J., Madurga R., Gañán-Calvo A.M. et al. // Biomimetics. 2018. V. 3. № 4. P. 29. DOI: 10.3390/biomimetics3040029.

23. Ling S., Qin Z., Li C. et al. // Nature Commun. 2017. V. 8. № 1. P. 1387. DOI: 10.1038/s41467-017-00613-5.

24. Gosline J.M., Guerette P.A., Ortlepp C.S., Savage K.N. // J. Experimental Biology. 1999. V. 202. № 23. P. 3295.

25. Bhardwaj N., Kundu S.C. // Biotechnology Adv. 2010. V. 28. № 3. P. 325. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2010.01.004.

26. Pillai C.K.S, Paul W., Sharma C.P. // Progress in Polymer Science. 2009. V. 34. № 7. P. 641. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2009.04.001.

27. Malakhov S.N., Bakirov A.V., Dmitryakov P.V., Chvalun S.N. // Russian J. Applied Chemistry. 2016. V. 89. № 1. P. 165. DOI: 10.1134/S1070427216010262.

28. Malakhov S.N., Chvalun S.N. // Fibre Chemistry. 2017. V. 49. P. 173. DOI: 10.1007/s10692-017-9865-z.

29. Brown T.D., Daltona P.D., Hutmacher D.W. // Progress in Polymer Science. 2016. V. 56. P. 116. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2016.01.001.

30. Greiner A., Wendorff J.H. // Angew. Chem. Int. Ed. 2007. V. 46. P. 5670. DOI: 10.1002/anie.200604646.

31. Matthews J.A., Wnek G.E., Simpson D.G., Bowlin G.L. // Biomacromolecules. 2002. V. 3. № 2. P. 232. DOI: 10.1021/bm015533u.

32. Min B.M., Lee G., Kim S.H. et al. // Biomaterials. 2004. V. 25. № 7–8. P. 1289. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2003.08.045.

33. Kim Y.J., Bae H.I., Kwon O.K., Choi M.S. et al. // Int. J. Biological Macromolecules. 2009. V. 45. № 1. P. 65. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2009.04.003.

34. Lukanina K.I., Grigor’ev T.E., Tenchurin T.Kh. et al. // Fibre Chemistry. 2017. V. 49. № 3. P. 205. DOI: 10.1007/s10692-017-9870-2.

35. Leal-Egan A., Lang G., Mauerer C. et al. // Advanced Engineering Materials. 2012. V. 14. № 3. P. B67. DOI: 10.1002/adem.201180072.

36. Bini E., Foo C.W.P., Huang J. et al. // Biomacromolecules. 2006. V. 7. P. 3139. DOI: 10.1021/bm0607877.

37. Min B.M., Lee G., Kim S.H. et al. // Biomaterials. 2004. V. 25. № 7–8. P. 1289. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2003.08.045.

38. Wang H.S., Fu G.D., Li X.S. // Recent Patents on Nanotechnology. 2009. V. 3 № 1. P. 21. DOI: 10.2174/187221009787003285.

39. Ladizesky N.H., Ward I.M. // J. Materials Science: Materials in Medicine. 1995. V. 6. № 9. P. 497. DOI: 10.1007/BF00151029.

40. Casper C.L., Yamaguchi N., Kiick K.L., Rabolt J.F. // Biomacromolecules. 2005. V. 6. № 4. P. 1998. DOI: 10.1021/bm050007e.

41. Zhu Z., Ohgo K., Watanabe R. et al. // J. Applied Polymer Science. 2008. V. 109. № 5. P. 2956. DOI: 10.1002/app.28460.

42. Teplenin A., Krasheninnikova A., Agladze N. et al. // PLoS One. 2015. V. 10. № 3. P. e0121155. DOI: 10.1371/journal.pone.0121155.

43. Bini E., Foo C.W.P., Huang J. et al. // Biomacromolecules. 2006. V. 7. № 11. P. 3139. DOI: 10.1021/bm0607877.

44. Baklaushev V.P., Bogush V.G., Kalsin V.A. et al. // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 3161. DOI: 10.1038/s41598-019-39341-9.

45. Li Y., Xiao Y., Liu C. // Chemical Reviews. 2017. V. 117. № 5. P. 4376. DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00654.

46. Skotak M., Noriega S., Larsen G., Subramanian A. // J. Biomedical Materials Research. Pt A. 2010. V. 95. № 3. P. 828. DOI: 10.1002/jbm.a.32850.

47. Yi B., Shen Y., Tang H. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. V. 11. № 7. P. 6867. DOI: 10.1021/acsami.9b00293.

48. Tenchurin T.K., Belousov S.I., Kiryukhin Yu.I. et al. // J. Biomedical Materials Research. Pt A. 2019. V. 107. № 2. P. 312. DOI: 10.1002/jbm.a.36459.

49. Zhang F., Zuo B., Fan Z. et al. // Biomacromolecules. 2012. V. 13. № 3. P. 798. DOI: 10.1021/bm201719s.

50. Dou H., Zuo B. // J. Nanomaterials. 2014. V. 2014. P. 89. DOI: 10.1155/2014/646021.

51. Catto V., Farè S., Cattaneo I. et al. // Materials Science and Engineering. 2015. V. 54. P. 101. DOI: 10.1016/j.msec.2015.05.003.

52. Lang G., Neugirg B.R., Kluge D. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9 № 1. P. 892. DOI: 10.1021/acsami.6b13093.

53. Bratzel G., Buehler M.J. // Biopolymers. 2012. V. 97. № 6. P. 408. DOI: doi.org/10.1002/bip.21729.

54. Drummy L.F., Farmer B.L., Naik R.R. // Soft Matter. 2007. V. 3. № 7. P. 877. DOI: 10.1039/b701220a.

55. Cetinkaya M., Xiao S., Grater F. // Soft Matter. 2011. V. 7. № 18. P. 8142. DOI: 10.1039/C1SM05470H.


Просмотров: 72


ISSN 1992-7223 (Print)