可注射丝素蛋白弹性水凝胶及其用于角膜修复的研究

An injectable silk fibroin hydrogel will be developed by natural macromolecule silk fibroin and applied in corneal repair. The thermodynamics factors and dynamics process of silk fibroin molecules structure transformation in the solution deriving from the hydrophilicity or hydrophobicity microenvironment changes will be studied, in order to understand the change rule of silk fibroin micro-nano structure caused by the small molecule simulated molecule chaperone. The mechanism of silk fibroin hydrophilicity or hydrophobicity dual coordination self-assembly will be clarified, and the mechanism of liquid crystal formation and in-situ rapid gelation of silk fibroin can be revealed. Relationship between the silk fibrion hydrogel micro-nano structure and cells, and the mechanism of silk fibrion hydrogel micro-nano structure inducing mesenchymal cells differentiation and regular collagen secretion will be investigated. On this basis, the cornea pocket can be prepared through femtosecond lasers punching, and corneal internal diseased tissue will be withdrawn through mini-invasive incision, into which will be injected the developed silk fibroin elastic hydrogel, and then compounding with bone mesenchymal stem cells and nerve growth factors. Accordingly, the corneal defects can be repaired through guided tissue regeneration, the corneal blindness caused by corneal disease can be cured, and the purpose of sutureless repairing corneal with mini-invasive incision can be achieved. This project will promote the research of change rule of protein structure, and provide application basis for the development of corneal repair materials with Chinese intellectual property.

本项目拟采用天然高分子丝素蛋白研制一种可注射弹性水凝胶，用于角膜缺损的修复。探讨丝素蛋白分子在溶液中由于亲疏水环境变化而发生结构转变的热力学因素及其动力学过程，了解小分子模拟蛋白质分子伴侣引起丝素蛋白微纳结构变化的规律，阐明丝素蛋白亲疏水二元协同性自组装机制，获得丝素蛋白液晶态形成机理以及原位快速凝胶化机制。研究丝蛋白水凝胶微纳结构与细胞的相互关系，及其诱导间充质细胞的分化和规整性胶原的分泌机制。在此基础上，利用飞秒激光器打孔制作眼角膜囊袋，小切口取出角膜内部病变组织，注射填充入研制的丝素蛋白弹性水凝胶，复合骨髓间充质干细胞与神经生长因子，通过组织引导性再生修复角膜缺损，治疗角膜病变引起的角膜盲，达到微创小切口无缝合修复角膜的目的。本项目将促进蛋白质结构变化规律的研究，为开发出一种具有中国知识产权的角膜修复材料奠定应用基础。

本项目采用天然高分子丝素蛋白研制了一种可注射弹性水凝胶，用于角膜缺损的修复。探讨了丝素蛋白分子在溶液中由于亲疏水环境变化以及zata电位而发生结构转变的热力学因素及其动力学过程，获得了表面活性剂诱导丝素蛋白形成水凝胶的机理是低表面张力下，丝素蛋白分子从卷曲状态伸展从而暴露出疏水部分，疏水部分相互作用形成β-折叠结构的交联点并进一步扩大交联度，最终形成了水凝胶。.通过小分子模拟蛋白质分子伴侣加入丝素蛋白引起结构变化规律的研究，阐明了丝素蛋白亲疏水二元协同性自组装形成不同结晶结构的机制是小分子亲水亲油值对丝素蛋白结构形成的诱导。HLB值高于9.8的高亲水性小分子具有保护蛋白质的作用，HLB值低于8.9的小分子将破坏蛋白质的结构，诱导蛋白质形成β-折叠结构。.采用剪切作用力诱导丝素蛋白取向模拟角膜板层的结构获得了取向丝素蛋白水凝胶，水凝胶的力学性能与取向的方向有关，取向将大大提高水凝胶的力学性能而不影响细胞相容性。进一步采用NVP在丝素蛋白溶液中的聚合形成了互穿网络结构的高弹性丝素蛋白水凝胶，能够保持长时间的透明性。.在此基础上，采用眼科光治疗仪研制了原位光固化丝素蛋白水凝胶用于角膜的修复，获得了共价键交联的丝素蛋白水凝胶，能够保持良好地生物相容性以用于组织的修复。.本项目研究中所获得的新原理、新方法，可以推广到其他蛋白质结构变化以及小分子与蛋白质相互作用领域，也为丝素蛋白可注射水凝胶用于角膜修复治疗提供理论基础。.本项目的实施过程中在国内外发表学术论文26篇，其中SCI收录论文15篇，EI 收录论文6篇，申请专利5项，授权专利6项。