Độ tan
Fibroin ở dạng tái sinh có khả năng hòa tan trong nước cao lên đến 10% (w/v), dung dịch này có độ nhớt cao và có thể trở thành gel, đây là một lợi thế cho việc tạo hạt nano fibroin vì khơng cần hoặc cần ít dung mơi hữu cơ so với các vật liệu nano khác phải dùng đến dung mơi như PLGA. Do đó, hạn chế được độc tính khơng mong muốn do dung môi dư thừa ảnh hưởng đến con người và mơi trường [94].
Khả năng hịa tan của fibroin tương quan chặt chẽ với các cấu trúc đa hình tinh thể của nó và có thể được kiểm sốt một cách thuận lợi thơng qua thực nghiệm. Tơ I được tìm thấy ở tuyến tằm có độ kết tinh thấp chủ yếu ở dạng xoắn ngẫu nhiên (random coil) và α-helices (chuỗi xoắn α) chiếm ưu thế tạo thành một cấu trúc vơ định hình làm cho tơ I khơng bền về mặt nhiệt động học và tan trong nước. Tơ II được tìm thấy trong hầu hết các sợi tơ tằm với độ kết tinh cao nhất với thành phần chủ yếu là cấu trúc antiparallel β-sheet thuộc loại tinh thể đơn tà (monoclinic). Cấu trúc β-sheet khơng đối xứng có các chuỗi hydro của Gly và chuỗi metyl của Ala ở các mặt đối nhau, tương tác kỵ nước của hydro và nhóm metyl làm cho tơ II bền nhiệt động, có cơ tính cao và khơng tan trong nước. Tơ III được tìm thấy trong các màng được hình thành tự nhiên nằm trên bề mặt dung dịch fibroin tiếp xúc với khơng khí, là một dạng tinh thể đa hình có cấu trúc xoắn gấp ba lần có tính bền kém hơn tơ II nhưng bền hơn tơ I. Trong thực tế, để điều chỉnh độ tan phù hợp với các ứng dụng mong muốn, tơ I và tơ II có thể được chuyển hóa lẫn nhau, bằng cách phương pháp biến đổi vật lý và hóa học của chúng [95].
Tính tương thích sinh học
Fibroin là một protein có thành phần hóa học cơ bản, có tính tương thích sinh học cao có thể được sử dụng trong các lĩnh vực lâm sàng của y học. Với cấu trúc dạng matrix fibroin có thể gắn kết với các tế bào nguyên sợi và thúc đẩy sự phát triển của chúng. Bên cạnh đó, đặc tính khơng gây viêm và khả năng tương thích sinh học cao với máu đã được khẳng định. Độ bền sinh học của fibroin được xác định bằng kỹ thuật nuôi cấy tế bào in vitro và thử nghiệm in vivo động vật. Do đó, fibroin hồn tồn có khả năng tương thích sinh học và tính an tồn sinh học khi được ứng dụng trong các lĩnh vực chăm sóc sức khỏe [96].
Khả năng phân hủy sinh học
Phân hủy sinh học là một trong các đặc tính nổi bật của fibroin được ứng dụng phổ biến để kiểm soát các yếu tố trong lĩnh vực y sinh. Khả năng phân hủy fibroin phụ thuộc nhiều vào các yếu tố y sinh tác động lên nó như các enzym phân giải protein (protease) hoặc thấp hơn là quá trình thủy phân. Bản thân fibroin là một protein tự nhiên nên khi phân giải thành các sản phẩm phụ không độc hại là các acid có thể hấp thụ, chuyển hóa và bài tiết thuận lợi qua các chức năng bài tiết bình thường của cơ thể. Phân giải protein fibroin là một q trình suy thối đối với 11 đoạn ưa nước bắt đầu ở đoạn cuối đầu C và N của chuỗi nặng và tiến hành đến toàn bộ chuỗi dần đến các vùng tinh thể và cuối cùng kết thúc q trình là suy thối vùng kết tinh. Tỷ lệ phân giải có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có thể kể
đến là các loại enzyme, độ kết tinh của fibroin, phương pháp chuẩn bị và các yếu tố y sinh tác động. Độ kết tinh của tơ II cao hơn so với tơ I do đó thời gian phân hủy của nó cũng kéo dài hơn. Mặt khác, mơ hình 3D fibroin có thể ổn định trong thời gian hơn một năm nếu được tổng hợp trong môi trường dung mơi hữu cơ, nhưng nó sẽ hồn tồn bị phân hủy trong 6 tháng nếu được tổng hợp trong mơi trường nước và có thể bị điện phân phá hủy hoàn toàn chỉ trong 8 tuần. Tuy nhiên, trong kén tằm B. mori có chất ức chế trysin giúp bảo vệ fibroin trong kén tơ tằm không bị phân hủy sớm trong tự nhiên [90, 93].
2.4.3 Một số dạng cấu trúc và ứng dụng của fibroin
Cấu trúc hạt
SF có cấu trúc dạng hạt có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau. Công nghệ tự lắp ráp được sử dụng rộng rãi để điều chế các hệ vi hạt và siêu vi hạt fibroin. Các chuỗi ưa nước (Tyr, Ser) và kỵ nước (Gly, Ala) trong phân tử SF có thể được sắp xếp xen kẽ [98], cho phép các phân tử SF hình thành các micell thơng qua cơ chế tự lắp ráp. Bằng cách thêm một lượng EtOH nhất định và dập tắt dưới điểm kết tinh, quá trình tự lắp ráp của SF sẽ được bắt đầu, tạo ra các hệ hạt kích thước từ vi hạt đến siêu vi hạt mà khơng có sự tham gia của các tác nhân độc hại. Kích thước hạt được kiểm soát bởi nồng độ SF, nhiệt độ kết tinh và lượng EtOH thêm vào. Hơn nữa, trong nhiều nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc bổ sung các polymer như polyvinyl alcohol (PVA) đã cải thiện được hình thái của các hệ hạt fibroin. Trong quá trình kết tinh, PVA tạo thành một mạng lưới hydrogel để hạn chế sự tạo mầm của SF. Các hạt SF đều và mịn được hình thành dưới tác động của PVA không giống như cấu trúc khơng thể đốn trước của các hạt SF được tạo ra mà khơng có PVA. Một cách khác, dung dịch muối kali photphat cũng được sử dụng để tạo hạt SF, có thể kiểm sốt kích thước từ 500 nm đến 2 µm, đã được Lammel và cộng sự báo cáo trước đây [99]. Cấu trúc thứ cấp và thế zeta của các hạt SF bị ảnh hưởng bởi giá trị pH của dung dịch kali photphate [99]. Zeng và cộng
sự đã phát hiện ra sự phân bố trọng lượng phân tử thấp và hẹp hơn của SF có thể
thúc đẩy sự hình thành các vi cầu SF với bề mịn hơn và đồng nhất hơn [100]. Ngược lại với các phương pháp hóa học, phay SF là một phương pháp vật lý được sử dụng để tạo ra các hạt SF. Phương pháp phay khơng sử dụng bất kì loại hóa chất mà SF sẽ được nghiền cơ học bằng máy. Kích thước hạt tạo thành sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như loại máy nghiền, khẩu độ của máy lắc sàng rung [97, 98].
Ngồi các phương pháp trên, có nhiều phương pháp khác để điều chế vi hạt và siêu vi hạt SF đã được báo cáo trước đây, trong đó có phun sấy [103], vi mao quản [104] và kĩ thuật tia điện [105].
Các hạt tơ tằm chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng phân phối thuốc. Wenk và cộng sự nhận thấy rằng các vi cầu SF thể hiện gần như 100% hiệu quả
bao bọc đối với cả salicylic acid và propranolol hydrochloride [106]. Sự bao bọc các yếu tố tăng trưởng giống insulin I (IGF-I) cũng đạt hiệu quả rất cao. Các vi cầu
SF nạp IGF-I được quan sát và cho thấy sự phóng thích liên tục trong bảy tuần ở dạng hoạt tính sinh học [106]. Hơn nữa, các loại thuốc như alcian blue, rhodamine B và crystal violet được nạp vào các hạt SF được tạo ra dung dịch muối, dựa trên các tương tác tĩnh điện đơn giản [99].
Các hạt SF được sử dụng làm chất mang cho các protein di truyền hình thái xương (BMP) cho thấy sự giải phóng BMP bền vững trong 14 ngày, làm cho chúng hữu ích trong kỹ thuật mô xương [107]. Các hạt nano SF cũng đã được ứng dụng trong việc chữa lành vết thương. Băng ép hydrocolloid được chế tạo có kết hợp các hạt nano SF [108]. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng việc bổ sung các hạt nano SF có thể cải thiện sự ổn định cấu trúc của băng và tăng tốc độ phát triển của tế bào. Băng ép hydrocolloid dạng hạt nano SF (SFNHD) cũng được sử dụng trên các mơ hình động vật để điều trị vết thương do bỏng. Kết quả cho thấy SFNHD có thể làm giảm kích thước vết bỏng của chuột và đẩy nhanh sự phát triển của các sợi collagen khi so sánh với băng bó bán sẵn trên thị trường, điều này cho thấy SFNHD có thể là lựa chọn tốt hơn cho vết thương [108].
Cấu trúc phim
SF có cấu trúc phim thường ở dạng màng và thảm. Màng fibroin tơ thường được điều chế bằng cách đúc dung dịch fibroin trong nước [109]. Một số kỹ thuật khác được báo cáo trước đây bao gồm lớp phủ quay [110], lắng đọng dọc [111] và quay lắp ráp từng lớp được hỗ trợ quay [112]. Màng sợi tơ tằm có thể dễ dàng thu được bằng cách đúc dung dịch SF trên một tấm nhẵn và sạch với sự bay hơi tự nhiên sau đó sấy khơ dưới một nhiệt độ nhất định. Sagnella và cộng sự đã báo cáo một phương pháp lắng đọng theo chiều dọc để sản xuất màng. Trong báo cáo của họ, một chiếc kẹp bằng thủy tinh đã được cắm thẳng đứng trong dung dịch SF trong tủ sấy ở nhiệt độ 50℃ và do lực mao dẫn bên và lực căng bề mặt giữa dung dịch fibroin và tấm phủ thủy tinh, dung dịch fibroin tơ tằm có thể đọng lại trên tấm phủ thủy tinh và được làm khô để thu được màng SF trong suốt. Tuy nhiên, màng được chuẩn bị bằng phương pháp này có kết cấu khơng đồng nhất, ngun nhân là do đặc tính cố hữu của phương pháp lắng đọng dọc [111]. Jiang và cộng sự đã phát triển một màng SF siêu mỏng (45±5 nm) được chế tạo bằng kỹ thuật lắp ráp từng lớp; màng cho kết quả hiển thị mô đun đàn hồi cao và độ bền kéo cuối cùng do cấu trúc tự gia cường dần dần của nó [112]. Tính ổn định của màng SF được sử dụng làm vật liệu sinh học là đáng kể; thuộc tính này có thể được cải thiện bằng cách kéo dài [113], ủ nước [114], làm khô chậm [114] và ngâm trong EtOH [115]. MeOH hoặc EtOH thường được sử dụng nhiều nhất để chuẩn bị màng SF không tan trong nước với hàm lượng tấm β tăng lên. Minoura và cộng sự đã báo cáo rằng màng SF được xử lý bằng MeOH cho thấy tính thấm oxy và hơi nước cao, cũng như các đặc tính cơ học tốt [109]. Terada và cộng sự đã phát hiện ra rằng nồng độ EtOH có thể ảnh hưởng đến tính chất bề mặt của màng. Khi sử dụng EtOH dưới 80% để xử lý màng SF, lớp ngồi cùng của màng fibroin trơng giống như thạch, trong khi sau khi xử lý với EtOH trên 90%, bề mặt màng cứng hơn, điều này ảnh hưởng đến sự kết dính và kết tụ của tủa [110]. Tuy nhiên, phim được xử lý bằng
EtOH cực kỳ giòn và kém trong suốt, điều này hạn chế việc sử dụng trong thực tế [106, 111]. Màng fibroin tơ tằm được xử lý bằng các kỹ thuật trên có khả năng phân hủy sinh học chậm do hàm lượng tấm β cao của chúng. Để nhấn mạnh sự cần thiết của vật liệu sinh học SF với tốc độ phân hủy gia tăng, màng fibroin bền trong nước với hàm lượng tấm β giảm được chuẩn bị bằng cách ủ trong nước. Jin và cộng
sự nhận thấy rằng sau khi được ủ trong nước trong 24 giờ, các màng SF hình thành
cấu trúc tơ I ổn định và không biến đổi thành tơ II với MeOH. Ngoài ra, màng SF được ủ trong nước trong suốt hơn và có thể tránh được các vết nứt do xử lý MeOH [114].
Vật liệu sinh học sợi tơ tằm có cấu trúc màng được sử dụng rộng rãi để làm da nhân tạo, băng vết thương và phân phối thuốc. Tế bào gốc có nguồn gốc từ tủy xương (BMSC) được gieo trên màng SF cho thấy sự tăng sinh tế bào tốt hơn và phản ứng viêm in vivo thấp hơn so với các tế bào được gieo trên polystyrene nuôi cấy mô (TCPS) hoặc collagen [116]. Tế bào gốc tủy xương của con người (hMSCs) gắn hoàn toàn trên màng SF được ủ trong nước hơn là màng được xử lý bằng MeOH [117]. Màng lụa fibroin/chitosan thể hiện các đặc tính cơ học ưu việt và khả năng thấm hơi nước và oxy tốt, làm cho chúng có thể so sánh với băng vết thương thương mại [118]. Hơn nữa, thảm SF được phủ các hạt nano bạc (AgNPs) đã được cơng bố là có hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả với nồng độ ion bạc tương đối thấp so với băng vết thương thương mại. Do đó, SF có tiềm năng ứng dụng thương mại như băng vết thương kháng khuẩn [119]. Jin và cộng sự đã quan sát thấy rằng BMSCs phát triển với mật độ cao hơn trên thảm SF được chiết xuất PEO so với thảm không được chiết xuất PEO [120]. Hybrid SF với vitamin E cung cấp khả năng kháng oxy hóa nâng cao của nguyên bào sợi da chuột, cho thấy các ứng dụng đầy hứa hẹn trong chăm sóc da [121]. Người ta thấy rằng cấu trúc và tính chất của màng SF ảnh hưởng đến tốc độ giải phóng thuốc. Màng SF thể hiện sự giải phóng doxorubicin chậm hơn với cấu trúc nano nhỏ hơn và hàm lượng cấu trúc tấm β nhiều hơn [115]. Ceftazidime (CTZ) đã được đóng gói thành cơng vào thảm SF/gelatin và cho thấy tác dụng kháng khuẩn trong q trình giải phóng kéo dài hơn sáu giờ [122]. Gần đây, vật liệu sinh học SF có cấu trúc phim cũng đã được sử dụng trong việc hướng dẫn tái tạo xương. Cai và cộng sự đã phát triển một màng SF mới thơng qua q trình đơng khơ, đơng đặc và xử lý bằng EtOH. Hiệu lực tạo xương của màng SF đã được khảo sát trong một mơ hình khuyết tật trên bụng thỏ. Kết quả cho thấy màng SF có thể ngăn chặn sự xâm lấn của mơ liên kết vào vùng khiếm khuyết so với màng collagen [123]. Jia và cộng sự nhận thấy rằng màng SF được tối ưu hóa bằng poly-D-lysine (PDL) có thể thúc đẩy sự tăng sinh và khả năng sống sót của tế bào biểu mơ giác mạc. Các màng SF được tối ưu hóa PDL đóng vai trị như chất nền cho sự hình thành biểu mơ giác mạc của con người, mở đường mới cho q trình tái tạo mơ giác mạc [124].
Cấu trúc ba chiều
Cấu trúc ba chiều của SF thường tồn tại dưới dạng hydrogel và vật liệu bọt biển. Hydrogel có cấu trúc mạng liên kết với hàm lượng nước cao. Sự kết tụ của
SF có thể được tạo ra bởi sonication [125], xoáy [126], sưởi [127], xử lý dung môi [128], liên kết chéo [129] và điện hóa [130]. Tốc độ của q trình gel hóa được kiểm soát bởi nhiệt độ, pH, nồng độ fibroin và việc bổ sung các hợp chất khác. Sự gel hóa SF nhanh hơn được tạo ra bởi nồng độ cao hơn, giá trị pH thấp hơn, nhiệt độ cao hơn và việc bổ sung Ca2+. Trong quá trình chuyển tiếp sol-gel của SF, các thay đổi cấu trúc thứ cấp xảy ra từ trạng thái cuộn ngẫu nhiên sang cấu trúc tấm β [128, 129]. Tuy nhiên, Lu và cộng sự đã báo cáo rằng q trình điện hóa của SF dẫn đến sự chuyển đổi từ cuộn ngẫu nhiên thành xoắn α thay vì tấm β. Sự hình
thành cấu trúc trung gian này rất quan trọng trong q trình điện hóa [130]. Siêu âm là một phương pháp mới tạo ra SF hydrogel với tốc độ gel hóa tăng lên đáng kể, dẫn đến thay đổi q trình hydrat hóa kỵ nước và hình thành SF với cấu trúc tấm β ổn định. Trên thực tế, siêu âm có thể gây ra sự gia tăng nhiệt độ, lực cơ học và lực cắt cũng như tăng giao diện khơng khí-chất lỏng, làm tăng tốc q trình gel hóa [125]. Kim và cộng sự đã phát hiện ra rằng quy định về thời gian thủy phân kiềm cho phép điều chế các dung dịch SF có khối lượng phân tử khác nhau. Do quá trình thủy phân lâu hơn phá hủy các phân đoạn kỵ nước, SF có khối lượng phân tử nhỏ hơn làm cho thời gian tạo gel tăng lên. Trọng lượng phân tử của SF cũng ảnh hưởng đến cấu trúc vi mơ và tính chất vật lý của hydrogel. Sợi tơ tằm có chuỗi ngắn hơn tạo ra hydrogel với các đơn vị cấu trúc nhỏ hơn và cấu trúc mạng xốp cao hơn. Ngồi ra, các tính chất vật lý như mơ đun đàn hồi cắt thay đổi theo các trọng