丝蛋白在生物医学领域中应用的研究进展

丝胶是一种高分子量的球晶蛋白，其分子结构的支链 上亲水基含量较高，链排列不紧密，易溶于水、稀酸和稀 碱，并能被蛋白酶等水解，还具有与明胶类似的凝胶、黏 着等特性。和大多数蛋白质一样，含丝胶的天然蚕丝 （ｖｉｒｇｉｎ ｓｉｌｋ） 是一种潜在的过敏源，会引发 Ｔｙｐｅ Ｉ 型过敏反应。Ｓｏｏｎｇ ａｎｄ Ｋｅｎｙｏｎ［２］对 １２ 个实施白内障手 术的病人从 １９８０ 年到 １９８３ 年进行跟踪报道，结果表明， 病人对天然蚕丝有严重的过敏反应，因此，作为生物材 料，蚕丝在使用过程中应除去易引起过敏反应的丝胶。 １．１．３ 再生丝素
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２．３ 药物缓释载体 由于丝素膜本身具有特殊多孔性网状膜结构，使其
具有优良的吸附及缓释功能，因此丝素可成为很好的药 物缓释剂。作为药物缓释载体应满足以下要求：一是开 始能较快地释放药物，使释药浓度超过该药物的最低有 效浓度而尽快达到疗效；二是能持续地释放药物，使体内 保持恒定的药物浓度，药物的药理活性持久，这样可降 低用药剂量，避免频繁进药，降低毒副作用，提高疗效。 张幼珠等 ［１２］实验表明施有药物的再生丝素膜能根据环境ｐＨ 值的变化控制药物的释放，可用作对人体特定部位进行 定向治疗的智能化药物控制释放载体。 ２．４ 组织工．１．１ 丝素
蚕丝是由丝素蛋白和丝胶两部分组成，丝胶包在丝
收稿日期：２ ０ ０ ４ － ０４ － ０ ９ 基金项目：国家自然科学基金项目（５ ０ ３ ７ ３ ０ ３ １ ） 作者简介：曹惠，女，１ ９ ８ １ 年生，在读研究生，专业为 纤维材料成型及其结构性能。
素蛋白的外部约占重量的 ２５％，蚕丝中还有 ５％ 左右的杂 质，丝素蛋白是蚕丝中的主要组成部分，约占重量的 ７ ０ ％ 。丝素蛋白中包含 １ ８ 种氨基酸，以甘氨酸、丙氨 酸和丝氨酸为主，由于与人体的皮肤和头发的角朊极为 相近，丝素可应用于人工皮肤。丝素经进一步处理可得 到小分子水解产物丝肽［ １ ］，丝素及丝肽具有易被皮肤、 毛发吸收的特点，目前作为新型高级化妆品原料，备受 青睐 。
蜘蛛丝主要包括拖丝和捕捉丝，其中拖丝主要用于构 成蜘蛛网的牵丝和轮廓网面，捕捉丝则用来黏附昆虫并在 昆虫挣扎时提供强大的弹性，以免由于强大的动能将捕到 的食物反弹出去。由于蛛丝具有强度高、韧性大的优点，可 用蛛丝来替代缺损的韧带、肌腱等软组织，也可进行组织 填充及作为人造心血管组织等用途。
２ 在生物医学中的应用
丝素的结构在很大程度上决定了丝素的性能。天然 丝素纤维的结晶度高而难以生物降解，影响了丝素纤维作 为医用材料的应用。先用 Ｎａ２ＣＯ３ 或 ＮａＯＨ 溶液除去蚕丝上 的丝胶，要得到丝素水溶液，可以用 Ｌ ｉ Ｂ ｒ 或 Ｌ ｉ Ｓ Ｃ Ｎ ， ＮａＳＣＮ 和 ＺｎＣｌ２［３，４］或 ＣａＣｌ２／Ｈ２Ｏ／ＥｔＯＨ 混合液［５］将丝素 纤维溶解，由相应溶液制成的材料称为再生丝素材料。 再生丝素由于溶剂的作用，部分分子链断裂，使得分子量 比天然丝素的分子量有所降低。再生丝素膜是通过物理 或化学的方法将蚕丝去除丝胶，再用交联剂制备而成，具 有良好的机械强度和柔软性，不溶于水但有一定的生物 降解性。 １．２ 蜘蛛丝
酶电极是一种具有高灵敏度和选择性的电化学生物传 感器，目前许多高分子材料应用于酶生物传感器的制作， 采用丝素［１０］作为酶的固定化材料是最近几年提出的一种新 的方法。其优点在于丝素蛋白与酶蛋白之间有良好的相容 性，既可较好地固定酶，又可保持较高的活性，且不需加入 其他交联剂，其提供的环境可保证酶有较长的存活周期。 屠一锋等［１１］综合应用了丝网印刷、化学修饰和丝素固定 化酶等方面技术，成功研制了一次性使用的多酚氧化酶电 极， 在多方面超过了用传统方法制作的酶电极。尤其是由 于采用丝素作为酶固定化材料，获得了更高的灵敏度和 响应速度，这些对酶电极是十分重要的。
近 ３０ 年来，在生物医学上器官缺失或晚期功能衰竭 极为常见，治疗费用昂贵“。组织工程”的出现给人造器官 带来了新希望。选择合适的生物材料作为细胞生长支架是 组织工程研究的基础。由于生物材料与人体组织直接接触， 所以对材料表面有较高要求。作为生物材料，一般必须具 有以下的性能：生物可降解性、良好的生物相容性和细 胞亲和性、一定的力学性能、可加工性、可消毒性及抗凝 血性。现已开发应用的作为组织工程用生物医用高分子材 料主要有硅橡胶、聚氨酯、聚乳酸（ＰＬＡ）、聚羟基乙酸（ＰＧＡ） 和胶原蛋白等［１３］。但硅橡胶、聚氨酯等合成材料的生物 相容性、理化性能、降解速率的控制及缓释性等方面尚有 许多问题未得到解决，且价格昂贵。因此人们一直在寻找 合适的生物医用高分子材料。将家蚕丝素纤维溶解、提纯 后，用延流法所制得的再生丝素膜，无毒性、无刺激作用， 具有良好的生物相容性，且对成纤维细胞、皮肤表皮细胞 的黏附性相当好［１４， １５］。因此再生丝素材料是一类令人关 注的组织工程材料。
目前丝蛋白的研究对象主要集中在蚕丝和蜘蛛丝蛋 白。天然丝素具有许多独特的物理化学性质，尤其是丝 素具有良好的生物相容性，近年来丝素蛋白用于生物医 学领域的研究非常活跃。目前开发具有良好生物相容性 及生物降解功能的生物医学高分子材料，是国内外引人 注目的热点课题。特别对最早被人类利用的蚕丝素蛋白 来说，它不但具有良好的生物相容性，还具有纯度高、 来源广、价格低廉等优点，在生物医学领域中的应用前 景广阔。本文主要就蚕丝蛋白的研究及其在生物医学领 域中的应用作较系统的阐述。
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均能从溶解状态的丝中获得，获得哪种结构取决于结晶条 件。Ｓｉｌｋ ＩＩ 构型比 Ｓｉｌｋ Ｉ 稳定，干燥过程中任何机 械震动都会导致 Ｓｉｌｋ Ｉ 构型转为 Ｓｉｌｋ ＩＩ 构型，也可 通过改变温度、溶剂极性（如甲醇，乙醇，甲酸，二 甲基甲酰胺等）、溶液 ｐＨ 变化、置于电场中和应力作用 等条件来实现构型的转变。 １．１．２ 丝胶
丝素膜既有良好的透水、透气性， 又对创面有强的黏 合力而无占位现象（即不影响人工皮覆盖下自体皮肤的生 长）， 不被细菌穿透，而且遇湿更加柔软，与创面的紧贴 性良好，再加上丝素膜光滑柔软、无刺激性。因此，丝素 膜是人工皮肤极为理想的材料。丝素膜经实验室检测和临 床应用表明具有优良的性能， 对浅度烧伤和整形取皮区等 皮肤缺损创面的保护和治疗有良好的效果［７， ８］。但由于创 面在烧伤２４ｈ后多有细菌侵染，甚至造成局部感染，一般的 创面覆盖材料不能直接应用于感染创面，只能用于早期无 感染创面和无菌手术创面（如供皮区）。吴徵宇等［６］研制了 一种具有抗感染作用、加快创面愈合的新型烧伤创面覆盖 材料。为扩大丝素膜的临床应用范围，张幼珠等［９］研制成 一种含抗菌药物的丝素膜，将其覆盖烧伤创面后， 临床 试验表明，药物丝素膜既具有保护创面的作用， 又具有清 除细菌、控制感染的作用。因此，兼有局部应用抗菌药物 和作为创面覆盖膜的优点， 用于烧伤感染创面，能有效地 控制创面感染而促进创面愈合。 ２．２ 酶的固定化和生物传感器
丝素蛋白的聚集态结构被认为是由结晶态和无定形态 两部分组成。丝素蛋白分子的构象为 Ｓｉｌｋ Ｉ 和Ｓｉｌｋ ＩＩ 结构。Ｓｉｌｋ Ｉ 结构包括无规线团和α － 螺旋，Ｓｉｌｋ ＩＩ 结构呈反平行β － 折叠。在结晶结构的丝素尤其是Ｓｉｌｋ ＩＩ 中，相邻链段之间的氢键和分子间引力使它们结合得 相当紧密， 抵抗外力拉伸的能力强，在水中仅膨胀而不溶 解，但可在一些特殊的中性盐中形成黏稠液体，透析除 盐可得丝素的纯溶液。而无定形丝素中链段间结合力较 弱，易溶于水，吸湿性强，抵抗外力能力弱，对酸、碱、 盐、酶和热的抵抗力较弱。Ｓｉｌｋ Ｉ 和 Ｓｉｌｋ ＩＩ 两种构型
Abstract ：Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｂａｓｉｃ ｓｃｉｅｎｃｅ， ｂｉｏ－ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅ ｈａｓ ｌａｔｅｌｙ ｅｍｅｒｇｅｄ ａｓ ａｎ ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇ ｔａｓｋ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅ．Ｓｉｌｋｗｏｒｍ ｓｉｌｋ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｅｘｔｉｌｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｔｓ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ （ｈａｎｄｌｅ，ｌｕｓｔｅｒ，ｄｙｅａｂｉｌｉｔｙ， ｃｏｍｆｏｒｔ） ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｔｉｍｅ；Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｓｉｌｋｗｏｒｍ ｓｉｌｋ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｓ ａ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｎｏｎ－ｔｅｘｔｉｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｉ．ｅ． ｆｏｒ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｓｕｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｃｅｎｔｕｒｉｅｓ ， ｆｏｏｄ ａｄｄｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｓｍｅｔｉｃ． Ｔｈｅ ｕｎｉｑｕｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｋｗｏｒｍ ｓｉｌｋ ｐｒｏｖｉｄｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｒｅｐａｉｒ ｏｐｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｍａｎｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｓｋｉｎ， ｅｎｚｙｍｅ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ， ｍｅｄｉｃｉｎｅ ｒｅｌｅａｓｉｎｇ ｃａｒｒｉｅｒ ａｎｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｌｅｎｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ａｃｔｉｖｅ． Ｓｐｉｄｅｒ ｓｉｌｋ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｕｄｅ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｃｋ ｌｉｇａｍｅｎｔ ａｎｄ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｔｅｎｄｏｎ ｆｏｒ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｍｏｄｕｌｕｓ ａｎｄ ｔｅｎａｃｉｔｙ． Key Words ：Ｓｉｌｋ ｆｉｂｒｏｉｎ；Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；Ｐｒｏｇｒｅｓｓ
Progress of Study on Application of Silk Protein in Biomedicine Field
CAO Hui，DAI Li-xing，ZUO Bao-qi
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｓｏｏｃｈｏｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ，Ｓｕｚｈｏｕ ２１５０２１ ，Ｃｈｉｎａ）