眾所周知，膜是組織工程中的重要組成部分，具有高孔隙率，大表面積，高柔韌性和出色機械強度的纖維材料製成的亞微米厚度的膜（納米膜）尤其具有吸引力。為了適合組織工程，這些膜必須具有生物相容性，可降解性，可滲透性，適宜厚度和優異的機械性能。滿足上述所有條件的納米膜的製備仍是一種挑戰。
蜘蛛絲是一種珍貴的物質，天然蜘蛛拖絲是具有最高韌性的材料之一，蜘蛛絲主要由蛋白質構成，這種蛋白質叫做「蛛絲蛋白」。而重組蛛絲蛋白僅觸發有限的免疫反應，並在2-4周內降解，同時可以用纖連蛋白的細胞粘附基序進行功能化以促進細胞附著和增殖。
亮點
近期，瑞典皇家理工學院Wouter van der Wijngaart 和My Hedhammar團隊通過重組蛛絲蛋白在靜止水溶液的界面上自組裝成納米纖維網絡而製備了一種蛛絲納米膜。該膜為釐米大小，獨立式，具有生物活性，薄至250 nm。儘管膜的厚度為納米級，但其極限工程應變超過220%，韌性為5.2 MPa。此外，它們對人血漿蛋白具有滲透性，並促進細胞粘附和增殖。人角質形成細胞接種在膜的兩側，在三天內形成一個融合的單層。納米級厚度、彈性、韌性、生物降解性、蛋白質滲透性和支持細胞生長這些特性的組合可能會在雙層體外組織模型和支持連貫細胞層的臨床移植等組織工程中實現新的應用。
膜的形成
實驗通過絲蛋白在靜置溶液的液-氣界面上的自組裝形成獨立的絲納米膜。如圖1所示，重組蜘蛛絲蛋白FN-4RepCT的溶液在環境條件下放置在裸露孔中。幾分鐘內，蛋白質在液-氣界面形成納米纖維，幾小時後，蛋白質自組裝成覆蓋整個界面的連貫納米纖維膜，然後將膜從液體界面上提起。
圖1.蜘蛛絲納米膜的形成與提升
如圖2所示，在膜的形成過程中，兩親性FN-4RepCT蛋白質在液-氣界面形成第一層納米纖維時，其疏水殘基和親水殘基分別朝向空氣和液體界面排列。膜液體側的蛛絲蛋白繼續形成更多的原纖維。溶液中的一些蛛絲蛋白形成裝配體附著在膜液體側。因此，液體側具有由絲組件構成的紋理，產生納米形貌，使其具有超親水性。在形成過程中，膜始終與液體接觸。這與以前將重組蜘蛛絲蛋白液滴乾燥形成雙層膜的方法不同。
膜的厚度與初始蛋白質濃度呈線性關係，同時厚度隨著形成時間增加直至溶液耗盡，因此，在組裝過程中改變蛛絲蛋白溶液的類型可以形成由多層不同功能化絲變體組成的膜。當可擴散的FN-4RepCT結構耗盡時，膜的生長停止，絲蛋白的結構重排仍在繼續，β-摺疊層在24小時內持續增加。
圖2. 蛛絲納米膜的表面和厚度
機械特性
實驗評估了的280 nm±110 nm厚的膜的機械特性。如圖3所示，在膜的周期性機械加載和卸載過程中，有限的能量損失證明了其彈性材料的特性。膜的極限應力和應變通過標準膨脹實驗進行評估，測得其極限工程應變超過220%，韌性為5.2 MPa。本實驗製備的膜的機械性能與較厚絲膜的機械性能相似，蛛絲納米膜的韌性是合成絲構造所測得的最高值，可以用於各種應用。
圖3.蛛絲納米膜的力學性能
膜通透性
為了評估對小分子的滲透性，將濃縮液滴放置在膜的中心，並在試驗期間保持膜完整。如圖4所示，根據視覺觀察和統計分析，發現280 nm±110 nm厚的膜可滲透小分子羅丹明B、Texas 紅葡聚糖以及BSA-FITC蛋白和人類血漿中的蛋白質，但不能滲透100 nm的金顆粒或3m聚苯乙烯小球。根據上述觀察到的滲透性，可以將蛛絲納米膜歸類為超濾膜。與通過壓縮纖維製成的絲膜相比，本實驗中的蛛絲納米膜形成過程中沒有外力，僅有自組裝，這會導致納米纖維之間的空隙更大。
圖4. 膜的滲透性
融合細胞層的形成
如圖5免疫螢光染色結果顯示，接種在440 nm±170 nm厚的膜兩側的人角質形成細胞在30分鐘內粘附並在三天內形成融合層。SEM成像證實，細胞已經展平，並通過類似突起的結構與彼此以及蛛絲膜建立了緊密的連接。FN-4RepCT蛋白包含源自纖連蛋白的細胞結合基序，該基序允許整合蛋白介導的細胞結合。非受迫性膜形成過程保留了絲蛋白的生物活性。此外，膜的內部纖維結構模仿了人體中天然細胞外基質的結構，進一步有助於細胞的附著和增殖，而以前報導的絲膜需要用纖連蛋白或膠原蛋白進行後塗層以增強細胞附著力。
圖5. 蛛絲納米膜上的細胞生長
在本篇文章中，我們展示了一種簡單的方法，可以在靜置溶液的液-氣界面上形成釐米大小、獨立的、可滲透蛋白質的蛛絲納米膜。無外力形成的膜產生一種內部納米纖維結構，該結構支持超過220％的應變並使膜對人血漿蛋白具有滲透性。重組蛛絲蛋白的功能化使得能夠在膜任一側快速形成單層的人類角質形成細胞。納米級厚度，彈性，韌性，生物降解性，蛋白質滲透性和支持細胞生長這些特性的組合可能在組織工程中實現新的應用。