噬菌体基复合纤维的制备方法

本发明属于复合纤维制备，具体涉及噬菌体基复合纤维的制备方法，是一种由噬菌体作为主要纺丝原材料的连续化纤维制备方法。

背景技术：

1、生物材料，如蚕丝蛋白、蛛丝蛋白、壳聚糖、海藻酸钠、聚多巴胺等，具有绿色再生、可降解、生物相容性好等特点，在生物医药、食品领域获得广泛关注，将生物材料进行化学或物理改性被广泛应用于伤口愈合、生物电子设备、柔性传感、人工组织等方向，生物材料的研究和应用引起广大科学家的兴趣（ nat. rev. mater.2021, 6, 1175）。

2、噬菌体是一种细菌病毒，具有杀菌作用，其最早被发现于痢疾杆菌中，并被d’herelle命名为噬菌体（bacteriophage），此后噬菌体常被用来杀菌，但随着抗生素的发现和应用，噬菌体的杀菌作用被忽视。近年来，因抗生素滥用受到医用限制，噬菌体的杀菌作用被逐渐重视（ science1985, 228, 1315）。george smith教授于1985年发明了噬菌体展示技术，可将不同功能的多肽或蛋白质展示到噬菌体表面，实现噬菌体的生物功能化以及功能肽和蛋白质的筛选，此技术获得了2018年诺贝尔奖，由此，更多有关噬菌体的研究趋于热门。

3、噬菌体有多种类型，有纤维状、球状、及复杂的头尾形状，噬菌体内含有dna或rna，并被蛋白质包裹，噬菌体的蛋白质衣壳赋予噬菌体稳定的结构，可在宽范围的ph、温度、以及盐浓度下稳定存在。噬菌体蛋白质衣壳含有可参与化学反应的氨基、羧基、酚羟基、巯基等官能团，含有可形成分子间氢键的氢键给体和氢键受体，因此，噬菌体具有优异的改性条件，通过化学或/和物理修饰可获得复杂功能的纳米材料，对人工材料或生物分子具有特异亲和性（ embo rep.2019, 20,e47427）。研究表明，经改性或修饰后的噬菌体作为生物纳米材料用于电池、数据储存、传感器、生物应用材料、纳米医药、显像剂等领域，具有广泛的应用前景（ nat. commun.2022, 13, 7158）。

4、噬菌体具有成熟的制备技术，可以实现大批量制备，将噬菌体进行化学或物理交联可获得特定形体的材料。hosseinidoust等人将m13噬菌体与牛血清白蛋白混合后通过戊二醛交联获得水凝胶材料，所获凝胶材料表现出液晶特性和自愈性，将其制备成纳米凝胶形状可用作吸入式抗菌喷雾，表现出良好的杀菌作用（ nat. commun.2022, 13, 7158）。zhang等人通过化学手段在噬菌体上引入可与聚合物交联的分子，将噬菌体与聚合物混合获得了噬菌体水凝胶材料，所获凝胶材料表现出一定的可注射性（ acs macro lett.2015, 4, 1215.）。但是，噬菌体为半柔性的纳米结构，在剪切力作用下难以保持有序性，较难获得稳定的流体和形状均匀的纤维。当前报道的噬菌体纤维多是在毛细管中成胶后再取出获得，不具有制备连续性（ polym. chem.2022, 13, 5200.）。belcher等人将高浓度的噬菌体挤出到戊二醛溶液中，通过戊二醛交联噬菌体并固化成型，获得长约13cm的噬菌体纤维，所获纤维表现出与聚合物相似的力学性能和韧性，证明了由噬菌体获得的纤维具有一定的应用潜力，但是此方法仍不具备纤维的连续化制备（ adv. mater.2007, 19, 826）。近年来，使用噬菌体作为纳米平台或材料构筑模块制备了一系列的生物纳米材料，并将其应用于药物递送、肿瘤治疗、组织再生、抗菌等领域，而对于噬菌体的加工成型研究（如纤维材料制备）少有报道。但是，纤维材料具有良好的柔性，可通过编织等技术进一步加工成具有一定体积和形状的织物或支架，而进一步获得更优的物理性能，具有潜在的功能和应用前景，使用噬菌体获得不同性能的纤维材料，具有较高的应用价值。

5、《2022年全球工程前沿》报告指出，生物适配是生物医用材料在生物安全和生物相容性基础上的未来重要发展方向，生物适配强调材料在时间和空间维度上与人体组织相适应的过程，主要表现为多功能化、智能化、高新化。使用噬菌体制备纤维材料具有良好的生物相容性，可有效模仿人体组织的多层次纤维结构，将噬菌体经过系列改性可获得与组织相适应、相匹配的良好生物医用材料。因此，将噬菌体通过先进纺丝技术获得噬菌体基复合纤维，拓展生物材料和医用材料种类，发展生物医学新方法，支撑生命健康发展需求，发展新一代功能医用材料，具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供噬菌体基复合纤维的制备方法，是由噬菌体作为主要纺丝原材料的复合纤维连续化制备方法，目的在于获得噬菌体基复合纤维，拓展噬菌体生物材料的应用场景，发挥噬菌体纳米材料的应用潜力。本发明制备的噬菌体复合纤维，具有优异的生物相容性、生物降解性、高的力学强度和优异的弹性性能，同时，利用噬菌体的杀菌作用可实现纤维材料的抗菌性能。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明利用噬菌体表面丰富的氨基官能团和负电性特点，分别利用化学交联和静电复合制备噬菌体基复合纤维，具体包括以下步骤：

4、（1）将噬菌体与高分子溶液混合，控制其ph值，抑制噬菌体与高分子的相互作用，制备纺丝液；

5、（2）将纺丝液挤出到凝固浴中，解除噬菌体与高分子的抑制作用，纺丝液凝固成型，即得到所述噬菌体基复合纤维。

6、优选的，噬菌体与高分子的质量比为1：10~10：1。

7、优选的，纺丝液浓度为1~50wt.%，纺丝液的ph值为3~7。

8、优选的，所述噬菌体包括m13噬菌体、fd噬菌体、lf1噬菌体、p22噬菌体、t2噬菌体、t3噬菌体、t4噬菌体、t5噬菌体、t7噬菌体、prd1噬菌体、ms2噬菌体、om2噬菌体中的一种或多种。

9、优选的，所述高分子包括氧化海藻酸钠、氧化透明质酸、氧化壳聚糖、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚四乙烯基吡啶、聚乙烯亚胺中的一种或多种。

10、优选的，当所述高分子包括氧化海藻酸钠、氧化透明质酸、氧化壳聚糖时，其氧化度为5%~90%。

11、优选的，当所述高分子包括氧化海藻酸钠、氧化透明质酸、氧化壳聚糖时，凝固浴为含有0.05~10wt.%金属离子的溶液，所述金属离子包括ca2+、mn2+、fe2+、fe3+、zn2+、al3+、mg2+，凝固浴的ph值为7~9。

12、优选的，当所述高分子包括聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚四乙烯基吡啶、聚乙烯亚胺中时，凝固浴为含有0.05~10wt.%盐离子的溶液，所述盐离子包括k+、na+、li+、mg2+、ca2+，凝固浴的ph值为9~13。

13、优选的，所述纤维浸泡在凝固浴的时间为0.5min~24h。

14、本发明所述方法制备得到的噬菌体基复合纤维的断裂强度为0.01~50mpa，断裂伸长率为1~1000%。

15、本发明利用噬菌体蛋白质衣壳含有的氨基官能团和负电性，与高分子相互作用实现复合，通过改变噬菌体和高分子溶液的物理参数，抑制噬菌体与高分子间的作用，获得良好纺丝流体，相互作用包括化学键作用、配位键作用、静电作用和范德华力作用；通过改变凝固浴的溶液参数，解除噬菌体和高分子的抑制作用，通过化学成键反应和物理非共价作用，凝固成型，获得纤维，实现噬菌体基复合纤维的连续化制备。通过控制噬菌体和高分子组成、凝固浴参数、纤维成型固化时间，可获得不同物理性能的噬菌体基复合纤维。

16、本发明提供了一种优选的方案：

17、使用噬菌体和海藻酸钠作为生物材料，将海藻酸钠进行氧化处理获得含有醛基的氧化海藻酸钠，利用氧化海藻酸钠中的醛基和噬菌体中的氨基发生席夫碱反应，以及海藻酸钠与钙离子的物理交联特性，实现噬菌体的化学和物理交联。通过控制ph抑制席夫碱反应获得噬菌体和氧化海藻酸钠纺丝流体，将纺丝液挤出到可发生席夫碱反应和含有金属离子的凝固浴中，同步实现化学和物理交联，获得纤维材料，在纺丝过程中保持拉伸取向，使噬菌体在纤维轴方向具有良好的取向行为。控制海藻酸钠和噬菌体的量，控制凝固浴金属离子浓度和凝固时间，获得不同物理性能的纤维。

18、具体的，先使用高碘酸钠将海藻酸钠进行氧化处理，获得含醛基的氧化海藻酸钠，醛基可以与噬菌体中的氨基发生席夫碱反应形成碳氮双键，席夫碱反应是一种可逆化学键，在ph值7~9间有利于成键，而在弱酸下不利于成键，利用席夫碱反应特性，将噬菌体与氧化海藻酸钠在弱酸条件下（ph=5~7）制备纺丝液，具有良好的流动性，然后将纺丝液挤入到ph=7~9的含金属离子的凝固浴中，噬菌体中的氨基和氧化海藻酸钠中醛基反的应形成化学交联，此外，海藻酸钠中的羧基官能团可与金属离子配位，形成金属配位结构的物理交联，由此共价/非共价双重作用力获得所述纤维。

19、本发明提供了另一种优选的方案：

20、利用噬菌体的负电性与带有正电荷的高分子实现静电复合纺丝，控制ph值屏蔽噬菌体和高分子间的静电作用，获得具有良好流动性的纺丝溶液，控制ph值和盐离子浓度解除噬菌体和高分子间的静电屏蔽作用，挤出到凝固浴中复合成型，实现噬菌体基复合纤维的连续化制备。

21、具体的，利用噬菌体负电性与带有正电的高分子材料（优选聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚四乙烯基吡啶、聚乙烯亚胺）进行复合纺丝，获得高分子静电复合物纤维；噬菌体可在高盐离子浓度下稳定存在，其负电性主要来自表面的羧基官能团，将噬菌体和高分子分散在ph=4~6的溶液中，使噬菌体表面以羧基形式存在，抑制噬菌体与高分子间的静电作用，获得纺丝流体，然后将纺丝液挤入到ph=9~13的凝固浴中，使噬菌体与高分子间形成静电作用，纤维成型，获得噬菌体基复合纤维。

22、本发明的机理如下：

23、本发明以噬菌体作为主原料，利用噬菌体表面丰富的氨基官能团和表面负电性特点，通过化学反应形成的共价键及物理非共价键作用与高分子材料复合成型，获得噬菌体/高分子复合纤维材料。文献报道，噬菌体表面丰富的氨基可与醛基发生席夫碱反应，能够实现噬菌体的化学交联（ nat. commun.2022, 13, 7158.），将海藻酸钠通过氧化处理获得富含醛基的氧化海藻酸钠，可实现噬菌体的高效交联。海藻酸钠可与金属离子形成强的配位作用，研究中常使用金属离子与海藻酸钠物理交联增强水凝胶材料的力学强度（ nat.  commun.2022, 13, 3019.），本发明研究表明，将海藻酸钠溶液挤出到含有金属离子的溶液中会凝固成型，获得纤维。因此，将噬菌体与氧化海藻酸钠通过席夫碱反应进行化学交联，同时利用金属离子与海藻酸钠配位作用固化成型，获得纤维，具有较高的可行性和创新性。

24、此外，噬菌体的负电特性，可与带正电荷的高分子材料通过静电作用相结合，噬菌体表面富有羧基官能团，提供高密度的静电复合位点，研究表明，带有负电荷的高分子和带有正电荷的高分子相遇时会从溶液中析出（ chin. j. chem.2020, 38, 465. ； acs appl.  mater. interfaces2023, 15, 7639.），因此，利用噬菌体负电性与带有正电荷的高分子进行复合可连续获得纤维材料。

25、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

26、通过控制噬菌体和高分子组成，可获得性能差异的噬菌体基复合纤维，所述噬菌体基复合纤维具有良好的断裂强度（断裂强度0.01~50mpa），断裂伸长率（1~1000%），弹性性能（弹性回复率80~99%），对细胞无毒性，具有良好的生物相容性和生物可降解性，依据降解环境和纤维的不同，可在5~100天内实现可控降解，利用噬菌体的杀菌作用可实现纤维材料的抗菌性能，所述纤维在生物医用材料领域具有广阔的应用前景。