Optimization and characterization of electrospun SS-based biopolymers for cosmetic applications

Silk Sericin (SS), a hydrophilic globular protein derived from Bombyx mori cocoons, was historically regarded as a waste byproduct of textile manufacturing, leading to environmental concerns. However, its biocompatibility, biodegradability, antibacterial, antioxidant, anti-inflammatory, anti-tyrosinase, and moisturizing properties have positioned it as a valuable biomaterial. Despite extensive research in biomedical applications, its full potential in cosmetic formulations remains underexplored. This study investigates SS’s extraction, molecular characterization, structural properties, and functional performance, with a focus on its processing into electrospun films for skincare applications. Among various extraction methods, the high-temperature high-pressure (HTHP) method demonstrated superior efficiency in preserving the functional integrity of SS while achieving high extraction yields. Sodium Dodecyl Sulfate - Polyacrylamide Gel Electrophoresis (SDS-PAGE) confirmed the presence of distinct protein bands between 10 and 37 kDa, with a predominant fraction around 20–25 kDa, indicating successful enrichment of low-molecular-weight sericin fractions. Mass spectrometry (MS) confirmed that the predominant sericin protein in HTHP samples is Sericin 1 (SER-1) from Bombyx mori. HTHP-extracted samples exhibited significantly higher Mascot scores and greater peptide coverage compared to chemically extracted samples, highlighting the superior purity and extraction efficiency of the HTHP method. Size-Exclusion Chromatography (SEC) analysis suggested the presence of multiple molecular weight fractions (9.5, 12.8, and 23.8 kDa), as estimated by Gaussian deconvolution of the primary elution peak, further supporting the suitability of HTHP-extracted SS for cosmetic applications requiring skin penetration and bioavailability. Attenuated Total Reflection-Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Circular Dichroism spectroscopy revealed that HTHP SS primarily adopts a random coil conformation, with minor β-sheet contributions. Electrospinning of pure SS was conducted to assess its nanofiber-forming ability and optimize processing parameters. While nanofiber formation was achieved, the resulting SS films exhibited low mechanical integrity, as they were prone to tearing, folding, and deformation, which limited their standalone applicability. To address this, gelatin was introduced as a co-polymer to enhance the structural integrity of the final product. The cosmetic evaluation of SS–gelatin electrospun films in an eye patch application revealed a significant enhancement in gross skin elasticity (+35.1%) and notable reductions in both average (–30.7%) and maximum (–26.6%) skin roughness parameters. Nevertheless, the marked decrease in hydration levels (–68.5%) indicates the necessity for further formulation optimization to improve moisture retention properties. This study provides a comprehensive characterization of SS from extraction to application, demonstrating its feasibility in biopolymer-based cosmetic formulations. Findings establish a foundation for future advancements in sustainable and biodegradable SS-based biomaterials.

La sericina della seta (SS), una proteina globulare idrofila derivata dai bozzoli di Bombyx mori, è stata storicamente considerata un sottoprodotto di scarto dell'industria tessile, contribuendo a problemi ambientali perché generalmente viene scaricata nelle acque reflue dopo il trattamento di sgommatura della seta. Tuttavia, le sue proprietà di biocompatibilità, biodegradabilità, attività antibatterica, antiossidante, antinfiammatoria, inibitoria della tirosinasi ed idratante ne hanno recentemente evidenziato il valore come biomateriale. Nonostante le numerose ricerche nel campo delle applicazioni biomediche, il suo pieno potenziale nelle formulazioni cosmetiche rimane ancora poco esplorato. Questo studio analizza l’estrazione, la caratterizzazione molecolare, le proprietà strutturali e le prestazioni funzionali della SS, con particolare attenzione alla sua lavorazione in film elettrofilati per applicazioni in dermatologia e cosmetica. Tra i vari metodi di estrazione, quello ad alta temperatura e alta pressione (HTHP) ha dimostrato una superiore efficienza nel preservare l'integrità funzionale della SS, garantendo al contempo elevate rese di estrazione. L'elettroforesi su gel di poliacrilammide con dodecil solfato di sodio (SDS-PAGE) ha confermato la presenza di bande proteiche distinte tra 10 e 37 kDa, con una frazione predominante intorno a 20–25 kDa, indicando l’arricchimento riuscito delle frazioni di sericina a basso peso molecolare. L'analisi tramite spettrometria di massa (MS) ha ulteriormente confermato che la principale proteina presente nei campioni HTHP è la Sericina 1 (SER-1) di Bombyx mori. I campioni estratti tramite metodo HTHP hanno mostrato punteggi Mascot significativamente più elevati e una maggiore copertura peptidica rispetto a quelli estratti chimicamente, evidenziando la superiorità in termini di purezza ed efficienza del metodo HTHP. L'analisi mediante Cromatografia ad Esclusione Dimensionale (SEC) ha suggerito la presenza di multiple frazioni a diverso peso molecolare (9.5, 12.8 e 23.8 kDa), a ulteriore supporto dell'idoneità della SS estratta con metodo HTHP per applicazioni cosmetiche che richiedano penetrazione cutanea e biodisponibilità. La spettroscopia ad attenuazione totale della riflessione-trasformata di Fourier e la dicroismo circolare hanno rivelato che la SS HTHP adotta prevalentemente una conformazione a "random coil", con una modesta presenza di strutture a foglietto β. Il processo di elettrofilatura della SS pura è stato effettuato per valutare la capacità della proteina di formare nanofibre e ottimizzare i parametri di processo. Sebbene la formazione di nanofibre sia stata ottenuta, i film di SS risultanti hanno mostrato una bassa integrità meccanica, manifestando fragilità a strappi, piegamenti e deformazioni, limitandone l'applicazione autonoma. Per ovviare a tale problematica, è stata introdotta la gelatina come copolimero al fine di migliorare l'integrità strutturale del prodotto finale. La valutazione cosmetica dei film elettrofilati di SS–gelatina, applicati come patch per il contorno occhi, ha rivelato un miglioramento significativo dell'elasticità cutanea (+35,1%) e riduzioni rilevanti nei parametri medi (–30,7%) e massimi (–26,6%) della rugosità della pelle. Tuttavia, la marcata riduzione dei livelli di idratazione (–68,5%) indica la necessità di ulteriori ottimizzazioni formulative per migliorare le proprietà di ritenzione dell'umidità. Questo studio fornisce una caratterizzazione completa della sericina della seta, dall’estrazione all’applicazione, dimostrando la sua fattibilità come biomateriale cosmetico a base di biopolimeri. I risultati ottenuti pongono le basi per futuri sviluppi nel campo dei biomateriali sostenibili e biodegradabili derivati dalla SS.