图1. SA-TA的合成过程以及HRP/H2O2催化SA-TA成胶用于细胞三维培养的示意图。
近年来，生物医学界聚焦于开发模拟细胞外基质（ECM）的丝素蛋白水凝胶用于三维细胞和类器官培养。丝素蛋白 （Silk Fibroin，简称丝蛋白）是一种天然存在的基于蛋白质的生物聚合物，以其优良的机械性生物相容性和可控降解性成为制造 ECM 模拟水凝胶的理想材料。目前，已开发多种物理或化学交联方法制备丝蛋白水凝胶，但现有技术难以同时兼备快速温和成胶、力学性能与细胞相匹配、细胞相容性好、成胶稳定等性质，不可避免地带来一定的细胞损伤，限制了长期三维细胞培养的适用性。因此，西湖大学郭成辰团队研究人员通过对丝素蛋白进行羧基化修饰得到丝酸，然后进一步接枝酪胺得到酪胺化丝酸（Silk acid-tyramine, SA-TA），实现了酶催化秒级快速成胶（图1）。其中，经修饰后SA-TA酚基团含量可提高至7 mol% 以上，极大改善了水凝胶的成胶速度和机械性能。SA-TA快速成胶是在37℃生理条件下，通过温和的酶催化反应实现，其溶胶至凝胶的转变在37°C下仅需不到10秒，能够高效均匀包封细胞，同时使细胞保持高于90%的存活率，给细胞提供模拟细胞外基质的三维环境，支持细胞的增殖和分化，可用作载细胞生物3D打印的墨水（图2）。与酶交联的天然丝素蛋白水凝胶相比，SA-TA水凝胶的力学性能更优，且具有长期稳定性，修饰后的SA-TA水凝胶置于37℃一个月仍然保持透明且力学性能稳定。体内植入1、3、6周的实验结果表明，SA-TA水凝胶具有生物可降解性，相对于天然丝素蛋白水凝胶，免疫炎症反应更加温和，生物相容性更优。这种化学修饰丝蛋白基水凝胶适用于细胞三维培养，具有良好生物相容性、生物可降解性和稳定可控的机械性能。
图2. (A) 2.5 wt%的SA-TA与10 U/mL的HRP和0.01 wt%的H2O2在0.5×PBS中的快速凝胶化。(B) 带支持浴的3D打印系统示意图，其中墨水由2.5 wt%的SA-TA溶液与10 U/mL的HRP组成，支持浴为0.01 wt%的H2O2水溶液。(C) 洗去支持浴后的3D打印SA-TA水凝胶网格支架。比例尺为1 cm。(D) 在2.5 wt%的SF水凝胶和2.5 wt%的SA-TA水凝胶中培养48小时的NIH/3T3成纤维细胞的三维堆叠图像。比例尺为200 μm。(E) 在2.5 wt%的SF和2.5 wt%的SA-TA水凝胶中培养48小时的NIH/3T3成纤维细胞的细胞存活率。其中HRP的浓度为10 U/mL；SF水凝胶中H2O2浓度为0.01 wt%。SA-TA水凝胶的H2O2浓度分别为0.01，0.02和0.03 wt%。
西湖大学工学院郭成辰课题组主要从事天然高分子结构、改性和生物医学应用方面的研究，致力于开发基于丝蛋白、胶原蛋白、多糖等天然材料的新型生物医用材料、先进医疗器件和组织工程产品。相关研究成果在国际知名期刊上发表，并申请和授权多项国际国内专利，部分成果初步实现产业转化。
论文信息：
本工作得到了浙江省重点研发计划（No.2023SDXHDX0004）、国家自然科学基金委员会 （No.52103129）、西湖实验室（生命科学与生物医学浙江省实验室）的HRHI 计划（No.202209004）和西湖大学基金会的支持。
